KR101046310B1 - 해양 심층수를 이용하여 해마토코쿠스 조류를 배양하는 방법과 이를 이용한 아스타크산틴을 생산하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해마토코쿠스 조류(Haematococcus algae)를 배양하는 방법과 이를 이용한 아스타크산틴(Astaxanthin)을 생산하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층의 해양 심층수를 이용하여 해마토코쿠스 조류를 배양하는 방법과 이 해마토코쿠스 조류로부터 아스타크산틴을 생산하는 방법에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은 해마토코쿠스 조류를 배양하여, 이 해마토코쿠스 조류로부터 아스타크산틴을 생산하는데 있어서, 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층의 해양 심층수를 취수하여 NaCl을 제거한 미네랄 수를 생산하는 단계, 상기 미네랄 수를 이용하여 배양액을 만드는 단계, 상기 배양액을 이용하여 해마토코쿠스 조류를 배양하는 단계, 상기 해마토코쿠스 조류로부터 아스타크산틴을 생산하는 단계로 이루어진 것에 특징이 있다.

해양 심층수, 해마토코쿠스 조류(Haematococcus algae), 미네랄 수, 아스타크산틴(Astaxanthin)

Description

해양 심층수를 이용하여 해마토코쿠스 조류를 배양하는 방법과 이를 이용한 아스타크산틴을 생산하는 방법{A method to culture a haematococcus algae using deep sea water, and method for producing astaxanthin using the same}

본 발명은 해마토코쿠스 조류(Haematococcus algae)를 배양하는 방법과 이를 이용한 아스타크산틴(Astaxanthin)을 생산하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층의 해양 심층수(海洋深層水)를 이용하여 해마토코쿠스 조류를 배양과 이 해마토코쿠스 조류로부터 아스타크산틴을 생산하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 해마토코쿠스 조류(Haematococcus algae)의 배양은 Ca(NO₃)₂, KH₂PO₄, MgSO₄, NaHCO₃, EDTA Na₂, EDTA FeNa, H₃BO₃, MnCl₂, (NH₄)₆Mo₇O₂₄, NaNO₃, NaH₂PO₄와 같은 무기영양염류와 비타민(Vitamin) B₁₂, 비타민(Vitamin) B₁, 비오틴(Biotin)과 같은 비타민류의 수용액 배양액을 이용하므로 운전비용이 높은 문제점이 있으면서, 해마토코쿠스 조류는 pH는 6∼8인 중성에서, 온도는 15∼35℃인 상온에서 일반 미생물이나 조류와 같은 환경조건에서 생육하므로 배양액 및 기타 첨 가제의 경우 철저한 멸균처리를 해야하므로 운전이 어려운 문제점이 있다.

[문헌 1] 대한민국 특허 제10-0490641호(2005. 05. 11)

[문헌 2] 일본 특허 공개번호 평(平) 5-184347호(1993. 07. 27)

[문헌 3] 국제 특허 공개번호 WO 2005-0590887호(2005. 06. 30)

[문헌 4] 미국특허 U. S. Pat. 제6054491호(1998, 09, 25)

[문헌 5] Journal of Applied Phycology, Volume 3, Number 4 (1991, 12)

본 발명은 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층의 해양 심층수에 과잉으로 함유된 NaCl을 1wt%이하로 제거한 미네랄 수를 배양액으로 이용하여 해마토코쿠스 조류를 배양한 다음, 이 해마토코쿠스 조류로부터 아스타크산틴을 생산하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 해마토코쿠스 조류를 배양하여, 이 해마토코쿠스 조류로부터 아스타크산틴을 생산하는데 있어서, 해양 심층수를 취수하여 NaCl을 제거한 미네랄 수를 생산하는 단계, 상기 미네랄 수를 이용하여 배양액을 만드는 단계, 상기 배양액을 이용하여 해마토코쿠스 조류를 배양하는 단계, 상기 해마토코쿠스 조류로부터 아스타크산틴을 생산하는 단계로 이루어진 것에 특징이 있다.

본 발명은 유해 오염물질과 미생물이 오염되어 있지 않으면서 조류의 생육에 필요한 다양한 미네랄성분과 영양염류가 풍부한 해양 심층수에서 과잉으로 함유되어 있는 NaCl을 제거한 미네랄 수를 배양액 제조에 이용하여 해마토코쿠스 조류를 배양하는 경우는 운전비용이 저렴하면서 위생적으로 안전한 아스타크산틴을 생산을 생산할 수 있기 때문에 해마토코쿠스 조류의 배양과 아스타크산틴의 생산에 널리 이용되는 효과가 있을 것으로 기대된다.

먼저, 해양 심층수의 특성을 검토하면, 해양 심층수는 다음 표 1 "해양 심층수와 표층해수 중에 함유된 중요성분 분석치"에서 보는 바와 같이 조류의 생육에 필요한 다양한 미네랄성분이 함유되어 있으면서 유해한 중금속성분은 극히 미량 함유되어 있으며, 유해미생물과 오염물질의 농도가 낮은 청정한 특성과 특히 조류의 생육에 필요한 영양염류의 농도가 높은 특성이 있다.

표 1 해양 심층수와 표층해수 중에 함유된 중요성분 분석치

구 분		울릉도 현포
		수심 650m 해양 심층수	표층해수
일 반 항 목	수온(℃)	1.2	20.3
	pH	7.8	8.15
	DO 용존산소(㎎/ℓ)	6	8
	TOC 유기 탄소(㎎/ℓ)	0.962	1.780
	CODMn(㎎/ℓ)	0.2	0.6
	용해성 증발잔류물(㎎/ℓ)	47,750	37,590
	M-알칼리도(㎎/ℓ)	114.7	110.5
주 요 원 소	NaCl(wt%)	2.69	2.75
	Mg 마그네슘(㎎/ℓ)	1,270	1,280
	Ca 칼슘 (㎎/ℓ)	406	405
	K 칼륨 (㎎/ℓ)	414	399
	Br 취소 (㎎/ℓ)	68.2	68.1
	Sr 스트론튬 (㎎/ℓ)	7.76	7.61
	B 붕소 (㎎/ℓ)	4.45	4.48
	Ba 바륨(㎎/ℓ)	0.044	0.025
	F 불소 (㎎/ℓ)	0.52	0.56
	SO4 2 -황산 이온(㎎/ℓ)	2,836	2,627
영 양 염 류	NH4 +암모니아태질소(㎎/ℓ)	0.050	0.030
	NO3 -질산태질소(㎎/ℓ)	1.158	0.081
	PO4 3 -인산태인(㎎/ℓ)	0.177	0.028
	Si 규소 (㎎/ℓ)	2.800	0.320
미 량 원 소	Pb 납 (㎍/ℓ)	0.110	0.087
	Cd 카드뮴 (㎍/ℓ)	0.050	0.008
	Cu 구리 (㎍/ℓ)	0.260	0.272
	Fe 철 (㎍/ℓ)	0.230	0.355
	Mn 망간 (㎍/ℓ)	0.265	0.313
	Ni 니켈 (㎍/ℓ)	0.360	0.496
	Zn 아연 (㎍/ℓ)	0.450	0.452
	As 비소 (㎍/ℓ)	0.401	0.440
	Mo 몰리브덴(㎍/ℓ)	5.110	5.565
	Cr 크롬(㎍/ℓ)	0.020	-
균 수	생균 수(개/㎖)	0	520
	대장균 수(개/㎖)	음성	음성

해양 심층수는 통상 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층의 해수를 해양 심층수라고 부르며, 표층해수(表層海水)와는 달리 햇빛이 닿지 않아 플랑크톤(Plankton) 및 생명체가 증식(增殖)하지 못하기 때문에 영양염류(榮養鹽類)의 농도가 높으면서 수온(水溫)에 따른 밀도차이(密度差異)로 표층해수와 혼합되지 않아 표층해수에 존재하는 오염물질(汚染物質)과 유해 잡균이 없기 때문에 표층의 해수와 비교하였을 때 저온안정성(低溫安定性), 청정성(淸淨性), 부영양성(富榮養性), 미네랄밸런스특성, 숙성성(熟成性) 등의 특성이 있으며, 구체적인 내용은 다음과 같다.

1. 저온 안전성(低溫安全性)

표층해수의 수온은 계절에 의해서 큰 폭으로 변동하는 데 대해, 해양 심층수는 계절에 따라서 수온의 변화가 없으면서 저온으로 안정되어 있다.

특히 한국 동해의 해양 심층수는 오호츠크해(Sea of Okhotsk)의 유빙(流氷)이 녹은 찬 해수가 밀도차로 침강(沈降)하여 사할린섬(Ostrov Sakhalin)과 홋카이도(北海道) 사이의 블라디보스토크(Vladivostok) 앞바다로 유입된 심층수로 일본열도가 가로 막혀 흐름이 느려 해수면에서 300m보다 깊은 해저심층에서는 연간을 통해서 수온이 1∼2℃로, 하와이나 일본 태평양 연안의 코우치현(高知縣) 무로토(室戶) 앞바다의 해양 심층수 등에 비해서 수온이 8∼11℃ 정도 낮은 특성이 있다.

2. 청정성(淸淨性)

해저심층에 있으므로 육상의 하천수, 대기로부터의 오염을 받기 어렵고, 화학물질, 오염물질과 세균수가 적다.

① 물리적 청정성

물리적 청정성은 현탁물(懸濁物)된 부유물이 적다고 하는 것으로 해양 심층수는 표층해수에 비해서 부유고형물질의 함량이 적다.

② 생물학적 청정성

해수의 취수에서 제일문제가 되는 것은 부착생물의 번식인데, 일반적으로, 표층해수의 취수장치에서는 취수 관 내에 부착생물이 번식하는 것으로, 관의 저항이 늘어나 취수불능이 되는 경우가 많은데, 해양 심층수는 플랑크톤, 미생물, 클로렐라 등의 총 생균 수는 표층수의 10분의 1에서 100분의 1로 적은 특성이 있다.

③ 화학적 청정성

해양 심층수는 오염된 표층해수와 혼합이 일어나지 않기 때문에 다이옥신(Dioxin)이나 PCB(Poly chlorinated biphenyls), 유기염소화합물(Organochlorine compounds), 유기주석화합물(Organotin compounds) 등 이른바 환경오염물질에 오염되어 있지 않은 특성이 있다.

3. 부영양성(富榮養性)

해양 심층수는 표층해수에 비해서 바다생물의 근원이 되는 조류(藻類), 식물성 플랑크톤(주로, 엽록소를 가지는 미소의 단세포 식물인 규조)의 영양원이 되는 질소, 인, 규산 등이 표층해수의 약 5∼10배의 무기영양염류가 풍부하게 포함되어 있는 특성이 있다.

해수면에서 수심 150m보다 깊은 해저심층에서 광량은 1% 이하로, 더 이상의 깊이에서는 식물성 플랑크톤은 광합성을 할 수 없기 때문에, 영양소는 식물성 플랑 크톤에 의해서 소비되지 않고 아래의 깊은 층으로 가라앉아 축적되어 있어 무기영양염의 농도가 높다.

4. 미네랄의 특성

해수는 70여 종류를 넘는 원소를 포함하고 있으며, 해양 심층수도 이와 같이 다종다양의 원소를 포함하고 있는 특성이 있다.

동·식물의 생육에 필요한 주요원소가 많으면서 필요하기는 하지만 다량으로 섭취하면 해가 되는 필수 미량원소인 구리(Copper), 아연(Zinc), 크롬(Chromium)과 같은 중금속은 극히 소량 포함되어 있다고 하는 미네랄밸런스가 좋은 특성이 있다.

5. 숙성성(熟成性)

해양 심층수는 표층해수에 비해 pH가 낮으며(pH 7.8 전후), 유기물 함량이 적으면서, 해양 심층수는 표층해수로부터 분리되어 저온 고압 하에서 긴 세월동안 물 분자의 집단(Cluster)이 적은 소집단화(小集團化)된 소집단수(小集團水, Micro-clustered water)로 수질이 안정되어 있다.

물 분자는 수소결합(水素結合)에 의해서 집단(Cluster)을 형성하고 있으며, 이와 같은 물 분자 집단의 수(數)를 측정하는 방법은, 현재 핵자기공명(核磁氣共鳴, Nuclear magnetic resonance, NMR)의 ¹⁷O-NMR 스펙트럼(Spectrum) 반치폭(半値幅)의 값(㎐)을 측정하여 간접적으로 추정하고 있으며, 핵자기공명 ¹⁷O-NMR 반치폭 값(㎐)의 약 1/10이 물 분자의 집단수(集團數)로 알려져 있다.

물 분자의 수소결합이 부분적으로 절단(切斷)되면서 소집단화(小集團化)되면 표면장력(表面張力)이 떨어지면서 침투성(浸透性)이 향상되며, 이와 같이 물 분자의 집단이 적은 물을 미생물이나 조류의 배양공정에 용수로 사용하면 배양효율이 향상되는 것으로 밝혀져 있다.

일반적으로 하천수로부터 생산된 경우 핵자기공명 ¹⁷O-NMR 반치폭의 값은 130∼150㎐로, 13∼15개의 물 분자가 집단체를 형성하고 있으며, 이와 같은 물을 결합수(Bound water)라 하며, 해양 심층수의 경우는 장소에 따라서 상당한 차이가 있으며, 일본 오키나와현(沖繩縣) 우라소에시(浦添市) 앞바다 수심 1,400m에서 취수한 해양 심층수의 경우 핵자기공명 ¹⁷O-NMR 반치폭의 값은 78㎐ 이였으며, 울릉도 현포 앞바다 수심 650m에서 취수한 해양 심층수의 경우는 65.5㎐이었다. 이와 같이 핵자기공명 ¹⁷O-NMR 반치폭의 값(㎐)이 적은 물을 소집단수(Microclustered water)라 한다.

본 발명에서는 상술한 해양 심층수의 특성 중에서 질소원이나 인 등을 풍부하게 함유하고 있는 부영양성(富榮養性)의 특성, 물 분자의 집단이 적은 소집단수로 안정되어 있는 숙성성(熟成性)과 게다가 잡균이 적은 청정성(淸淨性)의 특성을 이용하여 해마토코쿠스 조류를 양식하는 방법과 이로부터 아스타크산틴을 생산하는 방법을 제시한다.

그리고 본 발명에서 염분의 농도를 파악하기 위한 용액의 비중의 측정은 보메 비중계(Baume's hydrometer)로 측정하며, 보매 비중계의 보메도(°Be)는 액체의 비중을 측정하기 위하여 보메도 비중계를 액체에 띄웠을 때의 눈금의 수치로 나 타낸 것으로, 물의 비중보다 무거운 중액용(重液用)의 무거운 보메도(중보메도)와 물의 비중보다 가벼운 경액용(輕液用)의 가벼운 보메도(경보메도)가 있으며, 이 중에서 중액용은 순수(純水)를 0°Be로 하고, 15% 식염수를 15°Be로 하여, 그 사이를 15 등분한 눈금을 가지며, 경액용은 10% 식염수를 0°Be로 하고, 순수(純水)를 10°Be로 하여, 그 사이를 15 등분한 눈금을 매기고 있으며, 보메도(°Be)는 해수의 경우 염 농도(wt%)와 근사(近似)하기 때문에 염분농도를 표시하는 척도로도 널리 사용되고 있다.

보메도(°Be)와 액체의 비중(d)과의 관계는 다음과 같다.

액체의 비중이 물의 비중보다 무거운 중보메도의 경우

d = 144.3/(144.3-°Be) ………………………………………………①

액체의 비중이 물의 비중보다 가벼운 경보메도의 경우

d = 144.3/(134.3+°Be) ………………………………………………②

해마토코쿠스(Haematococcus) 조류는 해안 가까이 있는 웅덩이나 얕은 여울에 붉게 달라붙어 생육하는 담수 산의 녹조의 일종으로 자연계에 널리 분포하고 있으며, 대표적인 해마토코쿠스는 증식단계에서는 녹색을 한 운동성 조류이지만, 저 질소, 저 인산화, 고온, 강한 광, 건조 등의 환경조건을 변화시켜 스트레스(Stress)를 가하면 부동포자(不動胞子, Aplanospore)를 형성해, 이 중에 적색의 색소인 아스타크산틴(Astaxanthin)을 축적한다.

해마토코쿠스 조류의 대표적 조류인 해마토코쿠스 플루비아리스(Haematococcus pluvialis)는 분류학상으로 Chlorophyta문(門), Chlorophyceae 강(綱), Volvocales목(目), Hematococcaceae과(科), Heamatococcus속(屬), pluvialis종(種)에 속하며, 현재 해마토코쿠스 플루비아리스(Haematococcus pluvialis)는, 공업적으로 아스타크산틴을 얻는 유력한 생산방법의 하나로서 이용되고 있다.

해마토코쿠스(Haematococcus)는, 2개의 편모를 가진 직경 약 20 마이크로 미터로 젤라틴(Gelatin)질에 싸여, 클로로필(Chlorophyll) 함량이 많은 녹색 조류인데, 질소원 결핍 등의 조건에서는 시스트(Cyst)화하여 아스타크산틴(Astaxanthin) 함량의 많은 부동포자를 형성한 해마토코쿠스는, 적색 카로티노이드(Carotenoid)인 아스타크산틴을 다량으로 포함하고 있다. 현재, 아스타크산틴은 양식어의 염색제로서 이용되고 있지만, 최근, 아스타크산틴은 활성산소, 자유 라디칼(Free radical)을 소거하는 강한 항산화작용이 있는 것이 판명되어, 의약품, 식품 등에 널리 응용될 것으로 기대되고 있다.

해마토코쿠스 녹조 중에서 대표적인 해마토코쿠스 플루비아리스는 영양세포(Vegetative cell)가 통상 2개의 편모(鞭毛)를 가지는 부유세포(浮遊細胞)로서 존재하고, 녹조 쿠라미드모나스(Chlamydomonas)와 같이 친세포(親細胞)의 벽 내에서 분열하여 증식하고, 영양세포의 주위에는 젤라틴(Gelatin) 상의 세포벽을 가지며, 영양세포는, 질소원이 결핍한 배양기로 옮기는 것으로 젤라틴질의 안쪽에 두꺼운 강고한 세포벽을 발달시켜, 이윽고 세포는 유영(遊泳)을 정지하고, 무성적(無性的) 혹은 유성적(有性的)으로, 딱딱한 세포벽을 가지면서 아스타크산틴(Astaxanthin)을 대량 함유한 시스트(Cyst)를 형성한다.

아스타크산틴(Astaxanthin)은 카로티노이드(Carotenoid)계 붉은 색소로 화학식은 C₄₀H₅₂O₄로 빨간색을 띠며, 크릴(Krill), 게, 새우 등의 갑각류(甲殼類), 참돔, 연어, 송어 등의 어류, 플라밍고(Flamingo) 등의 조류(鳥類), 미생물이나 조류(藻類)를 비롯하여 수생동물에 널리 분포하며, 생체 내에서는 단백질과 결합한 색소 단백질(Chromoprotein)로 존재하는 것이 많으며, 게를 삶으면 빨갛게 되는 것은 색소 단백질이 분해되어 붉은 아스타크산틴의 색이 나타나기 때문이며, 크릴(Krill), 게, 새우 등의 갑각류(甲殼類), 참돔, 연어, 송어 등의 어류, 플라밍고 등의 조류(鳥類), 미생물이나 조류(藻類) 비롯하여 수생동물에 널리 분포하고 있다.

해마토코쿠스 조류(Haematococcus algae)의 종류는 Haematococcus buetschlii, Haematococcus capensis, Haematococcus carocellus, Haematococcus droebakensis, Haematococcus droebakensis fastigatus, Haematococcus droebakiensis, Haematococcus insignis, Haematococcus lacustris, Haematococcus murorum, Haematococcus nivalis, Haematococcus obtusispinus, Haematococcus pluvialis, Haematococcus salinus, Haematococcus sanguineus, Haematococcus thermalis, Haematococcus truncatispinus, Haematococcus zimbabwiensis 등이 있다.

상기 해마토코쿠스 조류 중에서 아스타크산틴(Astaxanthin)의 생산에 널리 이용되는 대표적인 속(屬)은, 해마토코쿠스 플루비아리스(Haematococcus pluvialis), 해마토코쿠스 라크스트리스(Haematococcus lacustris), 해마토코쿠스 카펜시스(Haematococcus capensis), 해마토코쿠스 드로에바켄시스(Haematococcus droebakensis), 해마토코쿠스 진바브엔시스(Haematococcus zimbabwiensis) 등이 있으며, 이 중에서도 해마토코쿠스 플루비아리스(Haematococcus pluvialis)가 보편적으로 이용되고 있다.

상기 해마토코쿠스 조류 중에서 해마토코쿠스 플루비아리스(Haematococcus pluvialis)의 생육조건을 검토하면 다음과 같다.

1. 온도는 15∼35℃ 범위에서 활발한 생육을 한다.

2. pH는 6∼8 범위인 중성영역에서 활발한 생육을 한다.

3. 먹이(탄소원)는 유기산과 탄산가스를 섭취하여 생육하는 광합성 녹조류이다.

4. 광도는 1,500∼40,000 럭스(Lux) 범위의 조명도(照明度)에서 광합성유광량자속투입량(光合成有光量子束投入量)을 25,000∼750,000μmol-photon/㎥/s 범위에서 활발한 생육을 한다.

5. 해마토코쿠스 조류는 삼투압이 높은 조건에서는 생육이 어렵기 때문에, 염분농도가 1mole이상의 높은 염분 농도에서는 생육이 저해되므로, NaCl농도가 낮은 배양액을 이용해야 한다.

6. 해마토코쿠스 조류의 생육은 상온 중성에서 활발한 생육을 하므로, 잡균 혼입에 의한 오염을 받기 쉽기 때문에, 1차 배양은 옥내의 폐쇄형 배양기에서 배양하여 배양된 조류의 농도가 높아지면, 2차 배양은 옥외의 개방형 배양조에서 배양을 한다.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 그리고 본 발명에서 혼합의 비를 나타내는 "부"는 특별한 언급이 없는 한 "중량 부"를 의미한다.

Ⅰ. 해양 심층수를 취수하여 NaCl을 제거하여 미네랄 수를 생산하는 단계

해양 심층수를 취수하여 NaCl을 제거한 미네랄 수를 생산은, 해양 심층수를 취수하여 가온 처리와 모래여과를 하여 전처리를 한 해양 심층수 또는 전처리를 한 해양 심층수를 나노여과와 역삼투 여과에서 농축된 해양 심층수에서 과잉으로 함유되어 있는 NaCl을 탈염처리하여 미네랄 수를 생산한다.

그리고 상기 전처리를 한 해양 심층수 또는 전처리를 한 해양 심층수를 나노여과와 역삼투 여과에서 농축된 해양 심층수에 소금제조공정에서 생산된 간수를 첨가하여서도 과잉으로 함유되어 있는 NaCl을 탈염처리하여 미네랄 수를 생산할 수 있다.

1. 해양 심층수의 취수 및 가온 처리 공정

해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층의 해양 심층수를 취수하여 후속처리를 원만하게 처리될 수 있도록 가온 처리를 한다.

해양 심층수는, 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층의 해양 심층수를 취수하며, 취수방법은 선상(船上)에서 해저 200m보다 깊은 곳까지 배관을 내려 취수하던가, 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층까지 배관을 설치하여 펌 프(Pump)로 취수하던가, 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층까지 배관을 설치하고, 취수정을 해수면보다 낮게 설치하여 사이펀(Siphon) 원리에 의해서 취수를 한다.

집수조에 취수된 해양 심층수는 온도가 낮으면서 점성이 높아 처리효율이 떨어지기 때문에 보일러(Boiler)에서 열을 공급받아(여름철에는 표층해수의 수온을 이용할 수도 있음) 20∼30℃로 가온하여 전처리여과공정으로 보낸다.

2. 전처리여과공정

전처리여과공정은 모래여과, 정밀여과(Microfilter) 또는 한외여과(限外濾過: Ultrafilter)를 단독 또는 2가지 이상의 공정을 조합한 여과를 하여 수중의 부유고형물질(SS: Suspended solid)을 제거한 다음, NaCl제거공정의 해양 심층수 저장조(1)로 보내거나, 음료수를 제조하는 경우는 나노여과처리를 한 후 역삼투 여과공정으로 보낸다.

이때 여과압력은 운전조건에 따른 여과기의 압력손실과 배관의 압력손실을 고려하여 결정하며, 모래여과의 경우 여과속도는 6∼10m/시간으로 하고, 여과사(濾過砂)의 유효경(有效徑)은 0.3∼0.45㎜, 균등계수(均等係數)는 2.0 이하로 하며, 여층(濾層)의 두께는 0.5∼1.0m로 한다.

이때 취수된 해양 심층수의 탁도(濁度)가 2㎎/ℓ이하인 경우는 모래여과는 할 필요가 없다.

그리고 정밀여과(Microfilter)와 한외여과(Ultrafilter)는 여과 막의 종류에 는 구애받지 않으며, 벤더(Vendor)의 사양에 따라서 여과속도와 압력손실을 고려하여 펌프(Pump)의 공급압력을 결정한다.

정밀여과 또는 한외여과에서 여과는 물의 FI(Fouling index) 값을 2∼4 범위로 처리한다.

FI 값은 대상 수중의 미세한 탁질 농도를 나타내는 수치로 다음 ③식으로 표현된다.

FI = (1－T₀/T₁₅)×100/15 ……………………………………………………③

여기서 T₀는 0.45㎛의 정밀여과 막을 이용하여 시료 수를 0.2㎫로 가압 여과했을 때에 최초의 500㎖의 시료수의 여과에 필요로 한 시간이며, T₁₅는 T₀와 동일한 상태에서 15분간 여과한 후에 500㎖의 시료수의 여과에 필요로 하는 시간이다.

나노여과공정에서는 후처리의 역삼투 여과에서 스케일(Scale)생성의 원인이 되는 황산 이온(SO₄ ^{2 -})을 제거하는 것이 주목적으로, 상기 정밀여과(Microfilter) 또는 한외여과(限外濾過: Ultrafilter)를 단독 또는 2가지 이상의 공정을 조합한 여과를 하여 수중의 부유고형물질(SS: Suspended solid)을 제거한 해양 심층수는 나노여과공정으로 보내어 여과되지 않은 황산 이온 함유 수는 방류(放流)하고, 여과된 여과 수는 역삼투 여과공정으로 보낸다.

나노여과 막에서 이온의 투과순서는 양이온의 경우는 Ca^{2 +}＞Mg^{2 +}＞Li⁺＞Na⁺＞ K⁺＞NH₄ ⁺ 이고, 음이온의 경우는 SO₄ ^{2 -}≫HCO₃ ^-＞F^-＞Cl^-＞Br^-＞NO₃ ^-＞SiO₂ 이며, 황산 이온(SO₄ ^{2 -})의 경우는 Mg^{2 +}와 Ca^{2 +}보다도 투과하기 어렵다.

나노여과공정에서 공급압력은 염 농도가 3.5wt%인 해양 심층수의 삼투압 25㎏/㎠보다 낮은 15∼20㎏/㎠으로 하며, 나선형의 경우 막투과수량(膜透過水量)은 0.7∼1.4㎥/㎡·일로 하면 이때 막 투과수량은 유입수량의 70∼80%가 된다.

[실시 예1]

표1에서와 같은 해양 심층수를 25℃로 가온 처리를 한 다음, 한외여과에서 FI값을 3.2로 전처리한 여과 수를 일본 도레이주식회사(東レ株式會社)의 가교폴리아미드(Cross-linked polyamide) 재질인 모델번호 SU-610의 나선형 나노여과 막을 사용하여 압력을 20㎏/㎠G로 막에 공급하여 막 투과수량은 1.2㎥/㎡·일로 하였을 때 막 투과수량은 유입수량의 80%가 되었으며, 이때 여과되지 않은 황산이 온 함유 수와 여과된 여과 수의 주요성분 분석치는 다음 표2의 내용과 같다.

표2 나노여과에 의한 여과되지 않은 황산이온함유수와 여과된 여과수의 주요성분 분석치

항목	전 처리된 해양 심층수(원수)	여과된 여과수	여과되지 않은 황산이온함유수
pH	7.80	7.24	7.82
Na+(㎎/ℓ)	10,800	9,650	15,400
Cl-(㎎/ℓ)	22,370	17,300	42,650
Ca2 +(㎎/ℓ)	456	338	928
Mg2 +(㎎/ℓ)	1,300	1,060	2,260
K+(㎎/ℓ)	414	355	650
SO4 2 -(㎎/ℓ)	2,833	319	12,890

표2의 내용에서 보는 바와 같이 해양 심층수를 나노여과처리를 한 결과, Na 는 28.5%, 칼슘(Ca)은 41%, 마그네슘(Mg)은 35%로 제거되었으나 황산 이온은 90% 이상 제거되었다.

3. 역삼투 여과공정

상기 나노여과공정에서 황산 이온이 제거된 여과 수가 역삼투 여과공정에 공급되면, 운전압력을 50∼70㎏/㎠으로 역삼투 여과 막에 공급하여 여과된 탈 염수인 여과 수는 음료수제조공정으로 보내고, 여과되지 않고 농축된 해양 심층수는 NaCl제거공정의 해양 심층수 저장조(1)로 보낸다.

역삼투 여과공정의 역삼투 여과 막이 나선형 여과 막의 경우 운전압력을 55∼56㎏/㎠에서 막 투과수량은 0.5∼0.8㎥/㎡·일로 운전하면 여과 수인 탈 염수에는 염분이 99.0∼99.85wt% 범위로 제거되며, 유입수량의 40∼60%가 여과되면서 해양 심층수에 함유된 염분은 농축된다.

상기 나노여과 및 역삼투 여과의 막 모듈(Module) 형태는 관형(管形: tubular), 중공사형(中空絲形: Hollow fiber), 나선형(螺旋形: Spiral wound), 평판형(平板形: Plate and frame) 등 어떠한 형태를 사용하여도 상관이 없으며, 그리고 막(膜)의 재질(材質)도 특별히 제한하지는 않는다.

그리고 나노여과 막의 소재로서 폴리아미드(Polyamide)계, 폴리피페라진아미드(Polypiperazineamide)계, 폴리에스테르 아미드(Polyesteramide)계, 혹은 수용성의 비닐폴리머(Vinylpolymer)를 가교(架橋) 한 것 등을 사용할 수 있으며, 막 구조는 막의 한 면에 치밀 층(緻密層)으로 되어 있으며, 치밀 층으로부터 막 내부 혹은 한 면의 막을 향해서 서서히 큰 구멍에서 미세 구멍으로 구성되어 있는 비대칭 막(非對稱膜)이나, 이러한 비대칭 막의 치밀 층 위에 다른 소재로 형성된 매우 얇은 분리기능층(分離機能層)을 가지는 복합 막(複合膜) 등을 사용할 수 있으며, 피페라진 폴리아미드계 복합 막이 바람직하지만 본 발명에서는 막의 재질과 구조에는 특별히 제한하지는 않는다.

[실시 예2]

실시 예1의 나노여과에서 여과된 여과 수(濾過水)를 일본 도레이주식회사(東レ株式會社)의 고압용 역삼투 여과 막에서 가교(架橋) 폴리아미드계 복합 막(複合膜)인 모델번호 SU-810의 나선형 역삼투 여과 막을 사용하여 압력을 60㎏/㎠G로 막에 공급하여 막 투과수량은 0.72㎥/㎡·일로 하였을 때 막 투과수량은 유입수량의 52%가 되었으며, 이때 여과된 탈 염수와 여과되지 않고 농축된 해양 심층수의 주요성분 분석치는 다음 표3의 내용과 같다.

표3 역삼투여과에서 탈염수와 여과되지 않은 해양 심층수의 주요성분 분석치

항목	유입수	여과된 탈염수	농축된 해양 심층수
pH	7.24	7.20	7.28
Na+(㎎/ℓ)	9,650	38.7	20,063
Cl-(㎎/ℓ)	17,300	71.6	35,478
Ca2 +(㎎/ℓ)	338	0.6	703
Mg2 +(㎎/ℓ)	1,060	1.9	2,206
K+(㎎/ℓ)	355	1.7	737
SO4 2 -(㎎/ℓ)	319	3.7	1,584

4. NaCl제거공정

상기 전 처리된 해양 심층수 또는 역삼투 여과공정에서 여과되지 않고 농축 된 해양 심층수, 이들 해양 심층수에 소금제조공정에서 생산된 간수를 혼합한 해양 심층수에 과잉으로 함유되어 있는 NaCl의 제거는, 해양 심층수를 1가 양이온선택교환 격막과 1가 음이온선택교환 격막을 사용한 전기투석장치에 의해서 NaCl을 제거하는 공정, 해양 심층수를 1가 양이온선택교환 격막과 1가 음이온선택교환 격막을 사용한 전기추출장치에 의해서 NaCl을 제거하는 공정 또는 해양 심층수를 냉동하여 얼음을 생산하면서 NaCl을 석출·제거하는 냉동장치 중에서 선택된 한가지의 NaCl을 제거하는 공정으로 미네랄 수를 생산한다.

① 전기투석장치에 의해서 NaCl을 제거하는 공정

본 발명에서 전기투석장치(電氣透析裝置: 3)에 의해서 전 처리된 해양 심층수 또는 역삼투 여과공정에서 여과되지 않고 농축된 해양 심층수, 이들 해양 심층수에 소금제조공정에서 생산된 간수를 혼합한 해양 심층수에 함유된 NaCl을 제거하여 미네랄 수의 생산은, 직류전원의 전위차(電位差)를 구동력(Driving force)로 하여 이온성 용질의 막 투과에 의해 분리하는 것으로, 양이온교환 격막은 고정부전하(固定負電荷)를 가지는 1가 양이온을 선택적으로 투과하는 격막을 사용하고, 음이온교환 격막은 고정정전하(固定正電荷)를 가지는 1가 음이온을 선택적으로 투과하는 격막을 사용한다.

전기투석장치(3)는 스케일 트러블(Scale trouble)을 억제하며, NaCl제거 효율을 향상하면서 한계전류밀도(限界電流密度)를 크게 하여 처리효율이 향상되도록 1가 음이온선택교환 격막(8)과 1가 양이온선택교환 격막(9)을 양극(4)과 음극(5) 사이에 교호적(交互的)으로 일렬 다단(多段)을 설치하고, 양단의 양극실(6)의 양극(4)과 음극실(7)의 음극(5)에 정류기로부터 직류전기를 인가(印加)하면서 해양 심층수 저장조(1)에 공급된 해양 심층수를 해양 심층수 이송펌프(2)로 탈염실(10)에 공급하여 염류의 농도를 400∼800㎎/ℓ범위로 NaCl을 제거하면서 일부는 해양 심층수 저장조(1)로 반송하고, 탈염된 미네랄 수는 전기전도율지시제어기(ECIS: Electric conductivity indicating switch)에 의해서 솔레노이드밸브(Solenoid valve: ⓢ) 작동에 의해 배양액을 만드는 단계의 배양액 조제공정으로 보낸다.

염농축실(11)에는 농축 염수 저장조(12)의 농축 염수를 농축 염수 이송펌프(13)에 의해 염농축실(11)로 공급하여 농축 염수 저장조(12)로 순환하면 해양 심층수 중의 Na⁺이온은 전기적인 인력에 의해서 1가 양이온선택교환 격막(9)을 투과하여 음극(5) 쪽의 염농축실(11)로 이동하고, Cl^-이온은 1가 음이온선택교환 격막(8)을 투과하여 양극(4) 쪽의 염농축실(11)로 이동하여 농축 염수 저장조(12)의 보메도 비중이 12∼20°Be범위로 농축된 농축 염수는 보메도 비중계 BIS(Baume indicating switch)에 의해 솔레노이드밸브(ⓢ)를 작동하여 소금제조공정으로 보낸다.

여기서 전기전도율(Electric conductivity)은 수용액이 전기를 전도하는 정도를 나타내는 지표로서 수중의 염류농도를 나타내는 기준으로 단위는 수용액의 전기저항률의 역수에 상당하는 S/m(Siemens/m)이며, 전기전도도(EC)와 수중의 가용성염(TSS)과의 관계는 다음 식④와 같다.

　TSS(ppm)=640 X EC (mS/㎝) …………………………………………………④

전기투석장치(3)의 처리효율을 높이기 위해서는, 전류밀도(電流密度)를 한계전류밀도(限界電流密度) 이하의 범위에서 가능한 한 크게 하는 것이 바람직하지만, 한계전류밀도는 염류농도에 비례하며, 확산 층(擴散層)의 두께에 반비례하므로, 확산 층의 두께가 일정한 경우, 배수(排水)되는 탈염수인 미네랄 수 중의 NaCl농도와 농축 염수의 NaCl농도에 의해 좌우되므로, 본 발명에서는 1가 음이온선택교환 격막(8)과 1가 양이온선택교환 격막(9)을 양극(4)과 음극(5) 사이에 교대로 배열한 탈염실(10)과 염농축실(11)을 형성하는 전기투석장치(3)에 해양 심층수 저장조(1)의 해양 심층수를 해양 심층수 이송펌프(2)로 탈염실(5)에 보내어 NaCl을 제거한 후 일부는 해양 심층수 저장조(1)로 순환하고, 농축 염수 저장조(12)의 농축 염수는 농축 염수 이송펌프(13)에 의해 염농축실(11)로 보내어 농축 염수 저장조(12)로 순환한다. NaCl제거 효율을 향상하면서 염농축실(11)에서 스케일성분이 생성되지 않도록 염농축실(11)에 통수하는 농축 염수를 다량으로 공급하면, 스케일 트러블을 확실히 방지할 수 있다. 또한, 염농축실(11)에 NaCl농도가 높은 농축 염수를 공급함으로써 전류의 액저항(液抵抗) 적어지므로 한계전류밀도를 높일 수 있음으로, 전기투석장치(3)의 처리성능을 향상시킬 수 있다.

전기투석장치(3)에서 한계전류밀도를 높게 하여 통전량(通電量)을 크게 함으로써 전기투석효율을 향상되며, 스케일 트러블(Trouble)을 억제하기 위해서는, 탈염실(10)에 공급하는 유량은, 막면선속도(膜面線速度)가 10∼30㎝/초 범위가 유지되도록 NaCl이 제거된 미네랄 수를 해양 심층수 저장조(1)로 반송하고, 염농축 실(11)에 공급하는 농축 염수의 유량은, 막면선속도가 1∼3㎝/초 범위가 유지되도록 농축 염수를 농축 염수 저장조(12)로 반송한다.

해양 심층수에는 CaSO₄, CaCO₃와 같이 물에 용해도가 낮아 농축시 스케일(Scale)이 생성되어 막의 오염(Fouling)으로 인하여 처리효율을 저하할 수 있기 때문에 본 발명에서는 전술한 나노여과에서 2가 이상의 다가(多價)의 이온성물질(CaSO₄, CaCO₃, MgCl₂, MgSO₄, SrSO₄ …등)을 1차 제거하였으며, 미제거된 CaSO₄, CaCO₃, SrSO₄ … 등에 의해서 스케일의 생성을 최대한 억제하기 위해서 2가 이상의 이온성 물질은 난투과성(難透過性)이면서 1가 이온성 물질만 선택적으로 투과하는 이온교환 격막을 사용한다.

본 발명에서 사용하는 1가 양이온선택교환 격막(9)은 2가 이상 다가(多價) 양이온의 투과는 억제하면서 1가 양이온만을 선택적으로 투과하는 격막으로, 폴리스티렌-디비닐 벤젠(Polystyrene-divinylbenzene)계의 주 사슬(主鎖: Main chain)에 부전하(負電荷) -SO₃ ^-를 고정하고 있는 부전하막(負荷電膜)에 측쇄(側鎖: Side chain)가 폴리에틸렌이민(Polyethyleneimine) 또는 폴리비닐 피리딘(Polyvinylpyridine) 등의 그래프트 폴리머(Graft polymer)나 주 사슬이 폴리에틸렌이민 또는 폴리비닐 피리딘으로 된 측쇄가 폴리스티렌인 그래프트 폴리머로 합성된 이온교환 격막으로, 그래프트 폴리머의 주 사슬이 양이온교환막의 주 사슬 또는 측쇄와 동일한 분자구조를 하고 있는 것이면 제한 없이 사용할 수 있으며, 바람 직하게는, 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리염화비닐(Polyvinylchlorde), 폴리스티렌(Polystyrene) 등에 부전하 R-SO₃ ^-를 고정한 양이온교환막으로 구성된 고분자와 동일한 분자구조를 가진 주 사슬 혹은 측쇄에 1가 양이온만 투과능(透過能)을 가지는 분자구조인 폴리비닐 피리딘(Polyvinylpyridine), 폴리비닐 아민(Polyethyleneamine) 또는 폴리에틸렌이민(Polyethyleneimine) 막과 같은 양이온교환 격막을 사용할 수 있으며, 특히, 폴리스티렌-디비닐벤젠계의 폴리스티렌-그래프트-에틸렌 이민이 가장 바람직하게 사용할 수 있다.

그리고 1가 음이온선택교환 격막(8)은 1가 양이온선택교환 격막(9)과는 반대로 1가 음이온을 선택교환할 수 있는 격막으로 정전하(正電荷) R-NH₃ ⁺를 폴리머사슬(Polymer chain)에 고정하고 있으며, 정전하를 막에 고정하고 있으므로 정하전막(正荷電膜)이라고도 하며, 이온교환기가 지방족 탄화수소(脂肪族炭化水素)에 의해서 가교(架橋) 되고 있어 막표면부(膜表面部)에는 양이온교환기를 가지는 고분자물질의 박층(薄層)이 형성되고 있는 음이온교환 격막으로, 교환기의 도입 모노머(Monomer: 單位體)에 지방족 탄화수소로 가교와 동시에 4급화를 실시한 것이 좋으며, 양이온교환기를 가지는 고분자물질로서는 양이온교환기를 가지는 고분자 전해질 및 선상고분자전해질(線狀高分子電解質)이나 양이온교환기를 가지는 불용성 고분자 등으로, 구체적으로는, 리그닌설폰산염(Ligninsulfonate)과 같은 술폰산 염(Sulfonate), 고급알코올 인산에스테르와 같은 인산에스테르염 등에서 분자량이 500 이상의 양이온교환기를 가지는 고분자 전해질, 메타크릴산(Methacrylic acid), 스틸렌설폰산(Styrene sulfonic acid)과 같은 카르본산 기(-COOH)나 설폰산기(-SO₃H)를 가지는 단량체(單量體) 유닛(Unit)을 다수 개(多數個) 포함한 선상고분자 전해질, 양이온교환기를 포함한 페놀류와 알데히드류를 축합(縮合)시킨 것과 같은 양이온교환기를 가지는 불용성 고분자 등의 1가 음이온을 선택적으로 교환하는 격막을 사용한다.

전기투석장치(3)의 양극실(5)의 양극(4)은 내식성(耐蝕性) 재질이면서 수소 및 산소발생 과전압(過電壓)이 높은 DSA(Dimensionally stable anode)전극 또는 나 백금도금 전극을 사용하여 음극실(7)를 통과한 용액을 주입하여 양극(4) 표면에서 염소 및 산소의 발생을 억제하도록 하며, 음극(5)은 수소발생과전압(水素發生過電壓)이 높은 랜니 니켈(Raney nickel) 또는 스테인리스강(Stainless steel) 강판을 사용하고, 음극실(7)에 가장 인접한 1가 양이온선택교환 격막(9)은 수소 이온 난투과성막(難透過性膜) 또는 1가 음이온투과 격막을 이용하는 것에 의해서 음극(5) 표면에서의 수소 이온의 발생량을 적게 하여 전력효율의 향상과 악취발생이 저감되도록 하는 것이 좋다.

그리고 염농축실(11)에서 스케일의 생성이나 유기물 등의 슬라임(Slime)이 부착되어 처리효율을 저하할 때를 대비하여 정류기에는 극성전환장치(極性換置)를 설치하여 양극(4)과 음극(5)의 전원을 전환하여 부착된 스케일과 슬라임(Slime)을 탈리(脫離) 시키도록 한다.

전극실의 전해질 용액은 음극실(7)로 공급하여 음극실(7)에서 배출되는 전해질 용액을 양극실(6)에 공급하며, 음극실(7)에 공급하는 전해질 용액(음극실 용액)은 해수(해양 심층수 원수)를 이용할 수 있으나, 3∼10wt%의 Na₂SO₄ 수용액을 사용하는 것이 전극의 부식 및 양극(4)에서 염소(Cl₂)가스의 발생을 억제할 수 있다.

농축 염수 저장조(12)에서 보메도 비중이 12∼20°Be 범위로 농축된 염수는 소금제조공정으로 보낸다.

② 전기추출장치에 의해서 NaCl을 제거하는 공정

해양 심층수에 과잉으로 함유된 NaCl을 제거하기 위한 전기추출장치(14)는, 염추출실(15) 내부에 양극(4)과 음극(5) 사이에 1가 양이온선택교환 격막(9)과 1가 음이온선택교환 격막(8)으로 격리된 탈염실(10)을 다단(多段)으로 설치한 NaCl을 함유한 염수를 전기추출에 의해서 NaCl을 제거하는 장치로, 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 "해양 심층수 중에 함유된 NaCl을 전기추출로 제거하여 미네랄 수를 생산하는 공정도"로 염추출실(15) 내부에 설치된 양극(4)과 음극(5) 사이에 음극(5) 쪽은 1가 양이온선택교환 격막(9)을, 양극(4) 쪽은 1가 음이온선택교환 격막(8)을 설치하여 격리된 탈염실(10)을 다단으로 설치한 것으로 구성된 "전기추출에 의한 NaCl을 제거하는 장치"에 의해서 해양 심층수 중에 함유된 NaCl을 제거하 는 경우, 해양 심층수 저장조(1)의 해양 심층수를 해양 심층수 이송펌프(2)로 염추출실(15)과 탈염실(10)에 공급하고, 탈염실(10)에 공급하는 해양 심층수는 해양 심층수 저장조(1)로 순환하면서, 송풍기(16)로부터 대기 중의 공기를 염추출실(15) 바닥에 설치된 산기관(17)을 통해서 폭기(Aeration)하면서, 정류기로부터 4∼50볼트(Volt)의 직류전기를 인가(印加)하여 전기장(電氣場: Electric field)을 형성하면 전기영동(電氣泳動: Electrophoresis)에 의해서 탈염실(10)의 해양 심층수에 함유된 Na⁺이온은 음극(5) 쪽의 1가 양이온선택교환 격막(9)을 투과하여 염추출실(15)로 이동하게 되며, Cl^-이온은 양극(4) 쪽의 1가 음이온선택교환 격막(8)을 투과하여 염추출실(15)로 이동하게 되면서 농축된 농축 염수는 보메도 비중 지시제어기(BIS: Baume's hydrometer indicating switch)의 보메도 비중이 12∼20°Be로 농축된 염수는 솔레노이드밸브(ⓢ: Solenoid valve)를 작동하여 소금제조공정으로 보낸다.

탈염실(10) 내의 해양 심층수 중에서 NaCl이 제거되어 미네랄 수 라인에 설치된 전기전도율지시제어기(ECIS: Electric conductivity indicating switch)의 전기전도율이 6∼12㎳/㎝범위로 NaCl이 제거된 미네랄 수는 솔레노이드밸브를 작동하여 배양액을 만드는 단계의 배양액 조제공정으로 보낸다.

상기 해양 심층수의 NaCl을 제거하는 전기추출장치(14)의 염추출실(15) 내부에 양극(4)과 음극(5) 사이에 탈염실(10)은 처리용량에 따라서 교호적(交互的)으로 병렬로 여러 단을 설치한다.

상술한 해양 심층수 중의 NaCl이 전기추출에 의한 NaCl이 제거되는 반응메커 니즘(Reaction mechanism)을 검토하면 다음과 같다.

해양 심층수 중에 함유되어 있는 NaCl은, 수 중에서 가수분해반응에 의해서 Na⁺이온과 Cl^-이온으로 다음 반응식 ⑤와 같이 해리(解離)되어 있다.

NaCl ―H₂O→ Na⁺ + Cl^- …………………………………………………⑤

정류기로부터 양극(4)과 음극(5)에 직류전기를 인가하여 탈염실(10) 내부에 전기장을 형성하면 전기영동에 의해서 탈염실(10) 내의 해양 심층수에 함유된 Na⁺이온은 음극(5) 쪽의 1가 양이온선택교환 격막(9)을 투과하여 염추출실(15)로 이동하게 되며, Cl^-이온은 양극(4) 쪽의 1가 음이온선택교환 격막(8)을 투과하여 염추출실(15)로 이동하게 되면서 탈염실(10)의 해양 심층수로부터 NaCl이 제거하게 된다.

Na⁺ ―― 격막 ―→ Na⁺ …………………………………………………⑤

Cl^- ―― 격막 ―→ Cl^- …………………………………………………⑥

염추출실(15)로 이동한 Na⁺이온과 Cl^-이온은 원래의 NaCl상태로 인사이투(in situ) 반응이 일어나게 된다.

Na⁺ + Cl^- ―→ NaCl …………………………………………………⑦

그리고 염추출실(15)의 양극(4)과 음극(5) 측에서는 다음과 같은 부반응(副反應)이 일어나면 악취발생과 전력소모량이 증가할 우려가 있기 때문에 송풍기(Air blower: 16)로부터 대기 중의 공기를 산기관(Diffuser: 17)을 통해서 폭기(曝氣)하여 다음과 같은 부반응(副反應)을 최대한 억제되도록 한다.

2Cl^- → Cl_{2 ( aq )} + 2e^- ………………………………………………………⑧

Cl_{2 ( aq )} → Cl_{2 (g)}↑ …………………………………………………………⑨

Cl_{2 ( aq )} + H₂O → HClO_{( aq )} + HCl ……………………………………………⑩

2HClO_{( aq )} + 2H⁺ + 2e^- → Cl_{2 (g)}↑ + 2H₂O ………………………………⑪

2H₂O + 2e^- → 2OH^- + H_{2 (g)}↑ ………………………………………………⑬

이때 송풍기(16)로부터 산기관(17)을 통해서 공급하는 공기의 공급량은 폭기강도(Intensity of aeration)가 1.2∼2.0공기(㎥)/조 용적(㎥)이 되도록 한다.

전기추출장치(14)와 탈염실(10)의 재질은 내염성 스테인리스강, 티타늄(Titanium)을 사용하던가, 카본 스틸(Carbon steel)에 에폭시(Epoxy) 코팅(Coating)이나 라이닝(Lining)을 하던가 또는 유리섬유강화플라스틱(FRP: Fiber glass reinforced plastic)을 라이닝 한 것을 사용한다.

양극(4), 음극(5), 1가 음이온교환 격막(8)과 1가 양이온교환 격막(9)은 전기투석장치(3)에서와 동일한 것을 사용한다.

③ 냉동에 의해서 NaCl을 제거하는 공정

해양 심층수에 함유된 NaCl을 냉동에 의해서 NaCl을 제거하는 경우는, 도 4 냉동에 따른 "H₂O-NaCl계의 상평형도"와 도 5 "해수를 냉각하였을 할 때 상태도"에서 보는 바와 같이, 해양 심층수를 보온처리된 냉각코일이 내장된 냉장장치에 공급하고, 냉동기로부터 냉매를 냉각코일을 통해서 순환하면서 냉장장치 내의 해양 심층수의 온도를 -4℃(표층해수나 원래의 해양 심층수의 경우는 -2℃에서 결빙하기 시작됨)로 떨어지면 셔벗(Sherbet) 상태의 얼음 생산되기 시작하며, 계속 냉각하여 온도가 -11∼-12℃로 떨어지게 되면 반고체 상태의 얼음이 생산되며, 더욱더 냉각하여 온도를 -22∼-23℃로 냉각되면 NaCl·2H₂O가 함유된 고체상태의 얼음이 생산되면서 해양 심층수 중의 NaCl이 제거되기 시작하며, 본 발명에서는 -25∼-26℃까지 냉각하면 용액 중에 NaCl이 제거된 미네랄 수가 생산된다. 이때 미네랄 수의 보메도 비중은 25∼26°Be가 된다.

해양 심층수를 냉동에 의해서 NaCl을 제거하는 경우 생산되는 미네랄 수는 농도가 높기 때문에 배양액을 만드는 단계의 배양액 조제공정에 사용하는 경우는, 역삼투 여과공정에서 여과된 탈염수 또는 광천수나 수돗물과 같은 담수를 가해서 보메도 비중이 0.5∼1°Be 범위로 희석하여 사용하도록 한다.

[실시 예3]

실시 예2의 역삼투 여과공정에서 여과되지 않고 농축된 해양 심층수를, 유효통전면적(有效通電面積)이 236㎜(세로)×220㎜(가로)의 두께 0.2㎜인 양이온교환 격막은 1가 양이온만 선택적으로 투과하는 1가 양이온선택교환 격막(9: Aciplex(등 록상표) K-102, 일본 旭化成工業株式會社 제품)과 음이온교환 격막은 1가 음이온만 선택적으로 투과하는 1가 음이온선택교환 격막(8: Aciplex Ａ－102, 일본 旭化成工業株式會社 제품)을 각각 50매를 티타늄 판에 RuO₂-TiO₂를 코팅한 DSA전극인 양극(4)과 스테인리스강 전극인 음극(5) 사이에, 도 2와 같이 교호적으로 50단을 설치한 전기투석장치(3)의 탈염실(10)로 50ℓ의 해양 심층수 저장조(1)에 실시 예2의 역삼투 여과공정에서 여과되지 않고 농축된 25℃의 해양 심층수를 공급한 다음, 다이어프램(Diaphragm)형 정량펌프인 해양 심층수 이송펌프(2)로 막면선속도(膜面線速度)가 10㎝/초가 되게 탈염실(10)에 공급하여 해양 심층수 저장조(1)로 순환하고, 20ℓ의 농축 염수 저장조(12)의 염수를 다이어프램형 정량펌프인 농축 염수 이송펌프(13)로 막면선속도가 3㎝/초가 되게 염농축실(11)에 공급하여 농축 염수 저장조(12)로 순환하면서, 정류기로부터 직류전기를 전류밀도가 3∼4A/dm²로 인가하여(이때 인가전압은 55∼60Volt이었다.) 미네랄 수 순환라인의 전기전도율지시제어기(ECIS)의 전기전도도 값이 8∼10㎳/㎝로 탈염처리하였을 때 탈염된 미네랄 수의 중요성분 분석치는 다음 표4의 내용과 같다.

이때 농축 염수 저장조(12)의 염수의 비중은 12°Be조정하였으며, 음극실(7) 용액은 5wt%의 Na₂SO₄수용액을 50㏄/min로 음극실(7) 하부로 공급하여 상부로 배출되는 것을 양극실(6) 하부로 공급하였다.

표4 전기투석공정에서 배출되는 탈염된 미네랄 수의 중요성분 분석치

항 목	역삼투 여과공정에서 여과되지 않고 농축된 해양 심층수	전기투석공정에서 배출되는 탈염된 미네랄 수
pH	7.28	7.27
Na+(㎎/ℓ)	9,650	2,895
Ca2 +(㎎/ℓ)	338	331
Mg2 +(㎎/ℓ)	1,060	1,039
K+(㎎/ℓ)	355	107
SO4 2 -(㎎/ℓ)	319	316

Ⅱ. 배양액을 만드는 단계

아스타크산틴(Astaxanthin) 함량이 높은 해마토코쿠스 조류를 배양하기 위해서는 2단계로 나누어 배양을 하는 것이 바람직하며, 제1배양공정에서는 해마토코쿠스 조류의 배양효율이 높도록 배양을 해야 하며, 제2배양공정에서는 아스타크산틴(Astaxanthin) 함량이 높게 배양을 해야 한다.

따라서 제1배양공정의 배양액과 제2배양공정의 배양액을 구분하여 배양하는 것이 해마토코쿠스 조류의 배양효율과 아스타크산틴(Astaxanthin) 생산수율을 높일 수 있다.

본 발명에서 사용하는 제1배양공정의 배양액과 제2배양공정의 배양액을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

1. 제1배양공정의 배양액을 만드는 공정

① 제1배양공정의 배양액 조제공정

상기 NaCl제거공정에서 NaCl이 제거된 미네랄 수가 배양액 조정조(18)에 공급하고, 배양액 조정조 교반기(19)로 교반하면서, NaCl이 제거된 미네랄 수 100부 당 상기 역삼투 여과공정에서 여과된 탈염수 또는 광천수와 같은 담수 50∼200부를 주입한 다음, 2가·3가 철염과 해마토코쿠스 조류(Haematococcus algae)의 먹이가 되는 유기물(有機物)과 비타민류를 공급한 것을 자화기 공급펌프(20)로 자화기(21)에 공급하여 배양액 조정조(18)로 20∼60분간 반송하면서 자화처리를 한 배양액은 멸균기(22)로 보낸다.

상기 2가·3가 철염은 자속밀도(磁束密度)가 100∼400가우스(Gauss)로 착자(着磁) 된 4·3 산화철(Fe₃O₄) 또는 자철광(磁鐵鑛) 분말을 3∼10wt%의 염산(HCl) 수용액에 용해한 2가·3가 철염을 미네랄 수와 담수를 혼합한 용액에 총 철 농도가 3∼100㎎/ℓ범위로 공급한다.

그리고 해마토코쿠스 조류(Haematococcus algae)의 먹이가 되는 유기물은, 탄소원과 TCA(Tricarboxylic Acid Cycle)관련 유기산으로, 구연산(Citric acid), 구연산염, EDTA(Ethylene diamine tetra acetic acid), EDTA염, 주석산(Tartaric acid), 주석산염, 사과산(Malic acid), 사과산염, 호박산(Succinic acid), 호박산염, 푸마르산(Fumaric acid), 푸마르산염, 알파케토글루타르산(α-Ketoglutaric acid), 알파케토글루타르산염, 아세트산(Acetic acid), 아세트산염, 피루브산(Pyruvic acid), 피루브산염, 에탄올(Ethanol), 지방산(Fatty acid), 지방산염, 지방산 에스테르류(Esters of fatty acids), 유지류(油脂類), 옥수수 침지수(CSL: Corn Steep Liquor), 효모추출액(Yeast extract), 건조효모, 맥아추출물(Malt extract), 대두 가루, 탈지 대두 가루, 육즙(肉汁), 콩깻묵, 과당(Fructose), 글루 코오스(Glucose), 만노오스(Mannose), 덱스트린(Dextrin), 설탕, 자당(Sucrose), 전분(Starch), 젖당(Lactose), 크실로오스(Xylose), 아라비노오스(Arabinose), 만니톨(Mannitol), 글리세롤(Glycerol) 탄화수소 또는 당밀(Molasses) 중에서 한 종류이상 혼합한 유기물을 미네랄 수와 담수 혼합한 용액 1,000부당 0.02∼5부를 공급한다.

비타민류로는, 효모추출액(Yeast extract), 아스코르빈산(Ascorbic acid), 아스코르빈산염, 니코틴산(Nicotinic acid), 니코틴산염, 티아민(Thiamine), 리보플라빈(Riboflavin), 니코틴산아미드(Nicotinic acid amide), 비오틴(Biotin), 티아민(Thiamin, Vitamin B1), 비타민(Vitamin) B12, 이노시톨(Inositol), 피리독신(Pyridoxine), 엽산(Folic acid) 또는 콜린(Choline) 중에서 한 종류 이상 혼합한 것을 미네랄 수와 담수 혼합한 용액 1,000부당 0.01∼3부를 공급한다.

요소(尿素), 암모니아수, 암모늄염(Ammonium salt), 폴리 펩톤(Polypeptone), 구연산 철 암모늄(Ferric ammonium citrate), 펩톤(Peptone), 아스파라긴(Asparagine), 아스파라긴산(Asparaginic acid), 아스파라긴산염, 글루탐산(Glutamic acid), 글루탐산염, 카사미노산(Casamino acid), 아스파르트산(Aspartic acid), 아스파르트산염, 글리신(Glycine) 또는 글루타민(Glutamine)과 같은 질소원, 제이인산나트륨(Sodium phosphate, dibasic, NaHPO₄), 인산이수소나트륨(NaH₂PO₄), 제이인산칼륨(Potassium phosphate, dibasic, K₂HPO₄), 인산이수소칼륨(K₂HPO₄)과 같은 인산염, 황산마그네슘(MgSO₄), 염화마그네슘(MgCl₂), 황산제일 철(FeSO₄), 황산제2철[Fe₃(SO₄)₂], 염화제일철(FeCl₂), 염화제2철(FeCl₃), 구연산철(C₆H₅O₇Fe), 황산암모늄철[(NH₄)₂Fe(SO₄)₂], 염화칼슘(CaCl₂), 황산칼슘(CaSO₄), 염화망간(MnCl₂), 염화동(CuCl₂) 또는 황산동(CuSO₄)과 같은 무기물성분은 해양 심층수 중에 충분히 함유되어 있기 때문에 별도로 첨가할 필요가 없다.

배양액 조정조(18)의 용량(체류시간)은 20∼60분 범위로 하며, 조의 외부에는 가열재킷(24)과 보온재(25)를 설치하고, 재질은 콘크리트 구조물(Concrete structure)에 에폭시수지 라이닝(Epoxy resin lining) 또는 FRP(Fiber glass reinforced plastic) 라이닝 한 것, 스테인리스강(Stainless steel), 티타늄(Titanium) 또는 브론즈 합금(Bronze alloy)인 내염성 재질 중에서 한 종류의 재질을 사용한다.

자화기(21)는 자속밀도(Magnetic flux density)가 10,000∼12,000가우스(Gauss)로 착자(着磁)된 Nd-Fe-B계 영구자석 또는 원통에 감은 코일(Coil)에 4∼10볼트(Volt)의 전류를 인가하여 원통 내부에 자기장(Magnetic field)을 형성한 자화기 중에서 한 종류를 사용한다.

배양액 조정조 교반기(19)는 프로펠러 형(Propeller type)으로 교반속도는 180∼360rpm으로 하고, 교반유량(Q)/체적(V)은 1.5∼2의 범위로 임펠러(Impeller) 크기를 결정하며, 재질은 내염성이면서 내식성의 재질인 티타늄(Titanium), 브론즈 합금(Bronze alloiy) 또는 스테인리스강(Stainless steel) 중에서 한 종류를 사용한다.

② 멸균공정

상기 자화처리를 한 배양액을 멸균기(22)에 공급하고, 멸균기 교반기(23)로 교반하면서 보일러로부터 열을 가열재킷(24)에 공급하여 95∼110℃ 범위로 10∼20분간 열처리를 하여 배양액에 함유된 잡균을 멸균처리를 한 다음, 냉각기(26)로 보내어 냉각수로 온도를 15∼35℃ 범위로 냉각한 배양액은, 전기분해조의 음극실(28)로 보낸다.

상기 멸균기 교반기(23)와 배양액 저장조 교반기(27)는 프로펠러형(Propeller type)으로 교반속도는 180∼360rpm으로 하고, 교반유량(Q)/체적(V)은 1.5∼2의 범위로 임펠러(Impeller) 크기를 결정하며, 재질은 내염성이면서 내식성 재질인 스테인리스강(Stainless steel), 티타늄(Titanium) 또는 브론즈 합금(Bronze alloy) 중에서 한 종류를 사용한다.

③ 전해환원공정

상기 멸균공정의 냉각기(26)에서 15∼35℃ 범위로 냉각한 배양액이 전기분해조의 음극실(28)에 공급되면, 양극실(27)에는, 양극실 용액을 해양 심층수 원수 또는 표층해수를 공급하고, 정류기로부터 4∼10볼트(Volt)의 직류전기를 양극(29)과 음극(30)에 인가(印加)하여 음극실(28) 배양액의 산화환원전위(Oxidation-reduction potential) 값이 -100∼-250㎷ 범위의 환원성 배양액으로 조정하여 pH조정 및 배양액 저장조(32)로 보낸다.

상기 격막(31)으로 양극실(27)과 음극실(28)을 분리한 전기분해조에 정류기로부터 양극(29)과 음극(30)에 직류전기를 인가하면 양극실(27)에서는 산화성의 전 해산화수가 생성되며, 음극실(28)에서는 전해환원수인 환원성의 배양액이 생성된다.

상기 전기분해조의 재질은 내식성이면서 절연체인 PVC(Polyvinyl chloride), PP(Polypropylene), PE(Polyethylene), FRP(Fiber glass reinforced plastic), 아크릴수지(Acrylic resin), 베이클라이트(Bakelite) 또는 ABS수지(Acrylonitrile butadiene styrene copolymer) 중에서 한 종류를 사용하며, 용량은 음극실(28)의 체류시간을 20∼60분으로 하고, 양극실(27)은 음극실(28)과 동일 용량으로 한다.

격막(31)은 1가 양이온을 선택적으로 교환하는 이온교환 격막을 사용한다. 모든 양이온을 교환하는 격막을 사용하거나 모든 이온을 교환하는 격막을 사용하는 경우에는, 양극실(27)의 전해질 중의 Ca^{2 +}, Mg^{2 +}, Fe^{2 +}, Fe^{3 +}와 같은 다가(多價)의 양이온이 음극실(28)로 이동하여 음극(30)의 표면에 스케일(Scale)이 형성되어 처리효율을 감소하기 때문에 사용을 해서는 안 된다.

음극(30)의 재질은 수소발생과전압(水素發生過電壓)이 높은 철판에 백금도금을 한 전극 또는 철판에 활성화니켈을 코팅한 라니 니켈(Raney-nickel)전극을 사용하며, 양극은 염소와 산소발생 과전압이 높으면서 내식성이 우수한 티타늄판(Titanium plate)에 RuO₂-TiO₂ 또는 RuO₂-TiO₂-SnO₂를 코팅한 DSA(Dimensionally stable anodes)전극을 사용한다.

④ pH조정공정

상기 환원성 배양액이 pH조정 및 배양액 저장조(32)에 공급되면, pH조정 및 배양액 저장조 교반기(33)로 교반하면서 pH조정제를 주입하여 pH를 6∼8 범위로 조정하여 제1배양공정의 배양액을 만들어, 저장하였다가 제1배양액 이송펌프(36)로 제1배양조(41)에 공급한다.

pH조정제는 Ca(OH)₂, NaNH₄CO₃, KNH₄CO₃, NH₄HCO₃, NH₄OH, Na₂CO₃ 또는 NaHCO₃ 중에서 선택된 한 종류의 수용액을 사용한다.

그리고 pH조정 및 배양액 저장조(32) 상부의 배기 및 흡입라인에는 테미스터(34)를 설치하고, 끝 부분은 pH가 1∼2 범위의 황산수용액이 충전된 실일 탱크(35)와 연결하여, 제1배양액 이송펌프(36)로 배양액을 펌핑(Pumping)시 외부(대기)의 공기가 pH조정 및 배양액 저장조(32) 내부로 유입될 때 외부 공기에 함유된 미생물(잡균)이 충전된 황산수용액 층과 테미스터(29)를 통과하면서 살균처리가 되도록 하여 배양액이 잡균에 오염되지 않도록 해야 한다.

그리고 pH조정 및 배양액 저장조(32)는, 제1배양조(41)와 제2배양조(47)에 1∼1.5일간 공급할 수 있는 용량으로 하고, 재질은 내염성이면서 내식성 재질인 스테인리스강(Stainless steel), 티타늄(Titanium) 또는 브론즈 합금(Bronze alloy) 중에서 한 종류를 사용한다.

[실시 예4]

실시 예3에서 NaCl이 탈염된 미네랄 수 1,000㎏을 재질이 스테인리스강인 2m(가로)×2m(세로)×2.3m(높이)의 배양액 조정조(18)에 주입하고, 역삼투 여과공정에서 탈염된 담수 1,000㎏를 주입한 다음, 자속밀도가 150가우스(Gauss)로 착자 된 자철광을 350메시(Mesh)로 분쇄한 분말을 5wt%의 염산(HCl) 수용액에 용해한 것을 미네랄 수와 담수 혼합액에 총 철 농도가 3.5㎎/ℓ로 공급하고, 해마토코쿠스 조류(Haematococcus algae)의 먹이가 되는 탄소원과 TCA관련 유기산으로 아세트산(Acetic acid) 2.4㎏, 글루코오스(Glucose) 2㎏, 펩톤 0.5㎏, 아스파라긴(Asparagine) 0.5㎏과 무수 구연산 12g을 첨가하고, 비타민류로는, 아스코르빈산(Ascorbic acid) 2g, 니코틴산(Nicotinic acid) 2g, 티아민(Thiamine) 2g, 비오틴(Biotin) 2g, 엽산(Folic acid) 2g, 콜린(Choline) 2g과 탄소, 효모추출액(Yeast extract) 5㎏을 첨가한 용액을 자화기 공급펌프(20)로 자속밀도(磁束密度)가 11,200가우스(Gauss)로 착자(着磁)된 네오디뮴(Nd-Fe-B) 영구자석의 자화기(21)로 공급하여 배양액 조정조(18)로 30분간 반송하면서 자화처리된 배양액을 100℃에서 15분간 열처리하여 살균처리한 다음, 20℃로 냉각하여 살균처리된 배양액을 준비하였다.

양극실(27)과 음극실(28)의 크기가 각각 가로 1m×세로 1m×깊이 1.2m인 PVC조에 아사히가세이사(旭化成工業株式會社)의 Aciplex(등록상표) K-102 1가 양이온선택교환 격막(31)으로 격리하고, 음극(30)은 가로 1m, 세로 1m인 스테인리스 철판에 활성화니켈을 코팅한 라니 니켈전극을 사용하고, 양극(29)은 가로 1m, 세로 1m인 티타늄판에 RuO₂-TiO₂을 코팅한 DSA전극을 사용한 전기분해조를 준비하였다.

상기 살균처리된 배양액을 전기분해조의 음극실(28)에 1,000㎏을 주입하고, 양극실(27)에는 해양 심층수 원수 1,000㎏을 주입하고, 정류기로부터 6볼트(Volt) 의 직류전기를 인가하여 음극실(28) 배양액의 산화환원전위 값이 -200㎷로 처리를 회분식 조작(Batch operation)으로 여러 번 실시하여 살균처리된 환원성 배양액을 만든 다음, Na₂CO₃ 10wt%의 수용액을 주입하여 pH를 7.2로 조정하여 제1배양공정의 배양액을 준비하였다.

2. 제2배양공정의 배양액을 만드는 공정

제2배양공정의 배양액은 제1배양공정에서 배양된 해마토코쿠스 조류를 질소결핍, 산화환원전위 값의 변화, 고염농도처리, 광조사의 변화 등의 환경조건을 변화시켜 스트레스를 주어 아스타크산틴(Astaxanthin) 함량이 높게 배양을 하기위해서는 배양액은 제1배양공정의 배양액에 비해서 염분(NaCl)농도가 0.4∼1.0wt% 범위의 염수에 질소원을 가하지 않고 탄소원만의 유기물을 첨가하여 제2배양공정의 배양액을 만든다.

해마토코쿠스 조류는 염분의 농도가 1wt% 이상 되는 높은 삼투압의 염수에서는 생육이 억제되는 담수성(淡水性) 녹조류(綠藻類)이다. 그러나 미네랄성분이 충분히 공급되었을 때 활발하게 번식하는 녹조류로, 자연상태에서는 염분의 농도가 낮은 하구 일대의 기수역(汽水域)에서 주로 생육하고 있다.

그래서 제2배양공정의 배양액은 상기 전 처리된 해양 심층수 또는 표층해수에 담수(淡水)를 주입하여 염분농도가 0.4∼1.0wt% 범위로 희석한 용수에 해마토코쿠스 조류의 먹이가 되는 탄소원만의 유기물을 첨가한 배양액을 사용하여 먹이 기 아에 의한 스트레스와 고염농도에 의한 스트레스도 주어 시스트(Cyst)화 효율을 향상하도록 하여 아스타크산틴(Astaxanthin) 생산수율이 향상될 수 있는 배양액을 만든다.

상기 해마토코쿠스 조류의 먹이가 되는 탄소원인 유기물은, 아세트산, 아세트산염, 피루브산, 피루브산염, 에탄올, 지방산, 지방산염, 지방산 에스테르류, 유지류, 구연산, 구연산염, EDTA, EDTA염, 주석산, 주석산염, 사과산, 사과산염, 호박산, 호박산염, 푸마르산, 푸마르산염, 알파케토글루타르산, 알파케토글루타르산염, 과당, 글루코오스, 만노오스, 덱스트린, 설탕, 자당, 전분, 젖당, 크실로오스, 아라비노오스, 만니톨, 글리세롤 탄화수소 또는 당밀 중에서 한 종류이상 혼합한 유기물을 해양 심층수 또는 표층해수에 담수(淡水)를 혼합한 용수 1,000부당 0.01∼1부를 첨가한 다음, 상기 pH조정제를 첨가하여 pH를 6∼8 범위로 조정하여 제2배양공정의 배양액을 만든다.

제2배양조(47)의 배양액 조성이 C(탄소)/N(질소)의 중량비가 20 이상 되면 아스타크산틴(Astaxanthin) 생산수율이 급격히 저하되며, 50 이상 되면 시스트(Cyst)화가 일어나지 않으면서 아스타크산틴이 생산되지 않음으로, C/N 중량비가 15 이하로 유지되도록 하는 것이 바람직하다.

[실시 예5]

표1과 같은 해양 심층수 400㎏에 지하광천수 1,200㎏을 혼합한 30℃의 용수 1,600㎏에 아세트산(Acetic acid), 1,280g을, 구연산삼나트륨(Trisodium Citrate) 320g을 첨가한 다음, Na₂CO₃ 10wt%의 수용액을 주입하여 pH를 7.2로 조정하여 제2배양공정의 배양액을 준비하였다.

Ⅲ. 해마토코쿠스 조류를 배양하는 단계

해마토코쿠스 조류의 최적의 생육조건은, 온도는 15∼35℃의 상온에서, pH는 6∼8인 중성영역으로, 상호 경쟁관계에 있는 섬모충(纖毛蟲), 아메바(ASmoeba), 모기붙이(搖蚊)의 깔다구(赤蟲), 윤충(輪蟲) 등의 포식동물(捕食動物)이나, 진균류(眞菌類)의 키트리드(Chytrid)와 같은 기생생물(寄生生物)의 생육환경과 동일하기 때문에, 초기배양을 개방된 배양조에서 배양을 하면 이들 포식 또는 기생생물에 오염되어 생육이 저해되기 때문에, 1차 배양은 폐쇄(閉鎖)된 배양시스템에서 배양을 하여 배양효율이 높게 배양을 해야 하며, 2차 배양은 1차 배양된 해마토코쿠스 조류의 생육조건을 변화시켜 스트레스(Stress)를 주어서 시스트(Cyst)로 불리는 아스타크산틴(Astaxanthin) 함량이 높게 배양된다.

1. 제1배양공정

해마토코쿠스 조류의 생육환경조건은, 온도는 15∼35℃ 범위에서, pH는 6∼8 범위인 중성영역에서 일반 포식 또는 기생생물의 생육환경과 동일하기 때문에 옥외 개방된 배양조에서는 이들 포식 또는 기생생물에 의해서 생육이 저해되기 때문에 제1배양공정은 해마토코쿠스 조류를 포식 또는 기생하는 생물이 배양장치 중에서 증식하지 않도록 한 폐쇄형 배양장치에서 배양을 해야 배양효율이 향상될 수 있다.

해마토코쿠스 조류의 영양원인 유기물 배양액도 상기와 같이 외부의 잡균에 오염되지 않도록 하여야 하며, 탄산가스(CO₂)와 공기의 공급 역시 외부의 잡균이 유입되지 않도록 해야 한다.

그리고 제1배양공정의 배양액을 제1배양조(41)에 공급하여 해마토코쿠스 조류를 배양하기 전에 차아염소산(HClO), 차아염소산염(NaClO, KClO), 과산화수소(H₂O₂) 또는 오존(O₃) 중에서 선택되는 한 종류의 살균제를 주입하여 제1배양조(41) 내의 섬모충류(Cibtes), 윤충(輪蟲), 아메바(Amoeba)류, 모기붙이(Midge), 깔다구(Chironomidae)와 같은 포식동물(捕食動物), 진균류(眞菌類)인 키트리드(Chytrid) 곰팡이와 같은 기생생물(寄生生物)을 살균처리를 한다.

이들 포식동물과 기생생물들은 해마토코쿠스 조류와 시스트 세포에 특이적으로 기생해 생육을 억제하기 때문에, 이와 같은 잡균을 살균처리를 해야 한다. 살균제의 주입농도는 차아염소산(Hypochlorous acid)과 차아염소산염의 경우는 유리유효잔류염소(Free available residual chlorine)의 농도가 0.5∼20ppm 범위로 공급하고, 과산화수소(H₂O₂)는 5∼50ppm 범위로 공급하고, 오존(O₃)은 1∼50ppm 범위로 공급한다.

상기 제1배양공정의 배양액을, 살균처리된 외부와 돔(43)으로 폐쇄된 제1배양조(41)에 공급하고, 발광다이오드 등(42)으로부터 조도(照度, Illuminance)를 1,500∼40,000 럭스(Lux) 범위로 조사(照射)하면서 탄산가스를 3∼5 용적%로 함유 한 공기를 제1배양조(41) 전단에는 용존산소 농도가 0.1∼0.5㎎/ℓ 범위가 되게 공급하고, 후단에는 용존산소 농도가 0.05∼0.1㎎/ℓ 범위가 되게 공급하면서 산화환원전위지시계(Oxidation-reduction potential indicator)의 값이 -100㎷ 이하로 유지되도록 폭기를 하면서 배양된 해마토코쿠스 조류는 제1침전조(44)로 보낸다.

제1침전조(44)로 보내어 침전된 해마토코쿠스 조류는 제1침전조 레이크(45)에 의해 하부 콘(Cone) 부분으로 모이면 제1배양조 반송펌프(46)로 종균용으로 제1배양조(41) 전단으로 반송하고 잉여 해마토코쿠스 조류는 제2배양조(47) 전단으로 보내고, 제1침전조(44) 상부로 월류(Overflow)하는 상등액은 방류조(55)로 보내었다가 방류한다.

상기 제1배양조(41)에 공급하는 배양액의 온도는 15∼25℃ 범위로 공급하고, 제1배양시스템 전체의 온도도 15∼25℃ 범위로 유지되도록 하면서 배양한다.

상기 제1배양조(41)의 용량은 배양액의 농도와 조 내에서 MLSS(Mixed Liquor Suspended Solids)농도에 따라서 달라지지만, F/M(Food-to-Microorganism)비를 0.1∼0.3 범위로 하여 다음 ⑭식에 의해서 조의 크기를 결정한다.

조의 용량(Volume) = (유량×유기물농도)/(MLSS농도×F/M비)…………⑭

상기 제1배양공정의 배양액을 이용하여 해마토코쿠스 조류를 배양하는 경우 제1배양조의 용량은 유입유량을 기준으로 체류시간을 4∼10일의 범위로 하면 무난하다.

탄산가스를 함유한 공기를 제1배양조(41)에 과잉 폭기를 하여 용존산소 농도가 0.05∼0.1㎎/ℓ범위로 되면서 산화환원전위 값이 -250∼-100㎷ 범위가 유지되게 폭기를 한다.

과잉 폭기를 하여 용존산소의 농도가 1㎎/ℓ이상 되면서 산화환원전위 값이 -100㎷ 이상 되면 해마토코쿠스 조류의 생육이 급격히 저하하므로 과잉 폭기는 절대로 해서는 안 된다.

탄산가스(CO₂)는, 봄베(Bombe)에 저장된 액체 탄산을 기화하여 사용할 수도 있으나, 보일러(Boiler)에서 배출되는 배기가스에는 20%전후의 탄산가스(CO₂)가 함유되어 있기 때문에, 이 배기가스를 전기집진기(Electric precipitation) 또는 여과집진기(Bag filter) 중에서 한 종류의 집진기로 비산분진(飛散粉塵)을 제거한 다음, 배기가스 저장탱크(37)에 저장하였다가 대기 중의 공기와 함께 송풍기(39)로 제1배양조(41) 하부로 주입하여 폭기를 한다.

이때 대기 중의 공기는 pH가 1∼2의 황산수용액을 충전한 시일탱크(38)의 황산수용액 층을 통과하도록 하여 공기 중에 함유되어 있는 잡균이 살균처리 되도록 한다. 황산수용액의 충전용량은 10∼20초간 공기와 접촉될 수 있도록 하며, 송풍기(39)의 토출(吐出) 측에는 유리 솜(Glass wool)의 여재(濾材) 또는 내식성의 여과 포를 사용한 필터(40)에서 황산용액 미스트(Mist)와 대기 중의 이물질을 여과한 다음, 제1배양조(41) 하부로 주입한다.

제1배양조(36)에서 해마토코쿠스 조류가 배양되면서 먹이로 공급된 유기산이 소모되면서 pH가 8 이상으로 증가하면, 해마토코쿠스 조류의 생육이 떨어지기 때문에 먹이로 사용한 유기산 또는 염산, 황산과 같은 무기산 중에서 한 종류의 산을 공급하여 pH를 6∼8의 범위로 조정한다.

그리고 제1배양조(41)에서 배양되는 해마토코쿠스 조류의 농도는, MLSS(Mixed liquor suspended solid)의 농도가 2,500∼3,500㎎/ℓ 범위로 유지되게 제1침전조(44) 하부에 침전된 해마토코쿠스 조류를 제1배양조 반송펌프(46)로 종균용으로 제1배양조(41) 전단으로 반송한다.

제1배양조(41)와 제1침전조(44) 상부는 외부와 밀폐(密閉)되게 돔(43)을 설치하고, 빛을 조사하는 발광다이오드 등(42)은 방수처리된 투명한 유리, PVC(Poly vinyl chloride), PE(Polyethylene), PP(Polypropylene) 또는 아크릴 수지(Acrylic resin) 관에 설치한다. 제1배양조(41)의 구조는 사각 또는 원형으로 할 수 있으며, 조의 깊이는 발광다이오드 등(42)을 수중에 설치하기 때문에 특별히 제한하지는 않는다.

제1침전조(44)의 구조는 원형 또는 4각형으로 하고, 단면적은 월류부하(Overflow rate)가 12∼30㎥/㎡·일로 결정하고, 깊이는 1∼4m로 하며, 상부는 외부의 잡균이 유입되지 않도록 돔(43)을 설치하여 폐쇄형으로 한다.

제1침전조 레이크(45)는, 회전속도를 0.02∼0.05rpm으로 하고, 구조는 일반 하·폐수처리장에서 활성오니처리공정의 침전조와 동일한 구조로 한다.

제1침전조(44)의 직경이 3mφ 이하로 용량이 적은 경우는 제1침전조 레이크(45)를 생략하고, 제1침전조(44) 하부 바닥의 경사각을 45∼60°로 한다.

그리고 제1배양시스템의 제1침전조(44), 제1배양조(41), 제1배양조 반송펌프(46)와 제1침전조 레이크(45)의 재질은 내염성이면서 내식성 재질을 사용한다.

[실시 예6]

스테인리스강판(Stainless steel plate)으로 길이 1.8m×폭 1.8m×깊이 0.9m로 제1배양조(41)를 제작하고, 내부에는 파장이 660㎚인 적색 발광다이오드 등 12개, 파장이 525㎚인 녹색 발광다이오드 등 4개, 파장이 470㎚인 청색 발광다이오드 등 4개를 방수처리된 아크릴수지 원통 4개에 적색 발광다이오드 등 3개, 녹색 발광다이오드 1개, 청색 발광다이오드 1개를 각각 설치하고, 상부에는 투명PVC수지 원형 돔(43)을 설치하여 외부와 폐쇄된 제1배양조(41)를 제작하고, 제1침전조(44)는 직경 0.25φm× 높이 1.0m의 스테인리스강판으로 제작하고, 제1침전조(40) 상부에도 투명PVC수지 원형 돔(43)을 설치하여 외부와 폐쇄되게 설치한 제1배양시스템을 준비하였다.

상기 제1배양시스템을 과산화수소(H₂O₂) 20ppm 농도의 수용액을 공급하고, 1시간 동안 플래싱(Flashing)하여 잡균을 멸균처리하였다.

멸균처리된 제1배양시스템에 실시 예4에서 만든 pH가 7.2, 온도가 20℃인 배양액을 제1배양조(41)와 제1침전조(44)에 공급하고, 다이어프램형(Diaphragm type) 정량펌프인 제1배양조 반송펌프(46)로 250㏄/분을 반송하고, 발광다이오드 등(42)으로부터 9,000럭스(Lux)의 광을 조사하면서 해마토코쿠스 플루비아리스(Haematococcus pluvialis) 종 조류(種藻類)를 플라스크(Flask)에서 회분식(回分式)으로 배양한 것을 MLSS농도가 800㎎/ℓ되게 주입하고, 흡입 측에 pH가 1.0의 황산수용액이 충전된 시일 탱크(38)를 통과한 공기에 액체 탄산가스 봄베(Bombe)의 CO₂를 3용적%가 되게 주입한 것을 송풍기(39)로 제1배양조(41) 하부로 주입하여 용존산소 농도가 0.08㎎/ℓ이면서, 산화환원전위 값이 -180㎷가 유지되도록 폭기량을 조절하면서 40시간 동안 운전하여 제1배양조(41) 내의 MLSS농도가 2,000㎎/ℓ이 되면서부터 실시 예4에서 만든 배양액을 다이어프램 형 정량펌프로 500㏄/분의 유량으로 제1배양조(41)에 공급하면서 연속운전하여, 45시간이 되면서 제1배양조(41) 내의 MLSS농도가 3,500㎎/ℓ되어, 잉여조류를 다음 실시 예7의 제2배양조(47) 전단으로 보내면서 운전을 계속하였다.(제1배양조(41)의 용량이 작으면서 단일 조로 용존산소의 농도를 전단과 후단으로 구분하여 폭기를 하지는 않았다.)

그리고 본 실시 예6에서 조류의 평균 배양속도는 0.31g/ℓ·일로 종래의 방법에 비해서 30∼40% 향상되었음을 알 수 있었다.

제1배양조(41)에서 배양된 해마토코쿠스 플루비아리스(Haematococcus pluvialis)는 도 8에서 보는 바와 같이 2개의 편모를 가진 녹색 조류로 배양되었다.

2. 제2배양공정

제2배양공정에서는 제1배양공정에서 배양된 해마토코쿠스 조류를 영양성분의 소비에 의한 영양기아 및 질소결핍, 광 조사의 변화(명 배양 및 암 배양) 및 강한 자외선의 조사, 활성산소생성물질을 주입하여 산화환원전위(ORP: Oxidation reduction potential) 값의 변화, 아브시스산(Abscisic acid) 또는 에틸 렌(Ethylene)과 같은 식물호르몬(Plant hormone)처리와 함께 건조처리, 제1배양공정의 배양온도보다 10∼15℃ 높은 고온처리, 염분농도가 0.5∼1wt% 범위의 고염분처리 등에 의한 스트레스를 주면 녹색으로부터 붉게 변화하면서 시스트(Cyst)화가 실시되어 아스타크산틴(Astaxanthin) 함량이 높은 해마토코쿠스 조류를 배양하는 것이 주된 포인트이다.

해마토코쿠스 조류는 상기와 같은 생육환경조건을 변화시켜 스트레스를 주면 시스트(Cyst)화하여 세포 내에 강력한 항산화작용을 가지는 아스타크산틴을 생성하면서 휴면포자가 된다.

그래서 본 발명의 제2배양공정과 다음의 아스타크산틴을 생산하는 단계에서는 상기의 스트레스방법을 단독 또는 2가지 이상을 조합하여 시스트화를 수행한다.

상기 제2배양공정의 배양액과 제1배양공정에서 배양된 잉여(剩餘) 해마토코쿠스 조류를 개방된 제2배양조(47)의 전단에 공급하면서 보일러(Boiler)에서 배출되는 배기가스를 전기집진기 또는 여과집진기 중에서 한 종류의 집진기로 비산분진(飛散粉塵)을 제거한 배기가스를 배기가스 저장탱크(37)에 저장하였다가, 공기에 탄산가스농도가 3∼5용적%로 함유되도록 배기가스를 혼합하여 송풍기(39)로 필터(40)에서 이물질을 제거한 다음, 제2배양조(47) 하부로 주입하여 용존산소 농도가 0.1∼0.8㎎/ℓ 범위가 유지되게 폭기를 하고, 조의 중간 부분에서는, 산화환원전위 값이 100∼350㎷ 범위로 유지되게 활성산소생성물질을 주입하면서 태양(48) 광을 조사하여 배양된 해마토코쿠스 조류를 제2침전조(49)로 보내어, 침전된 해마토코쿠스 조류는 제2침전조 레이크(50)에 의해 하부 콘(Cone) 부분으로 모이면 제2 배양조 반송펌프(51)로 종균용으로 제2배양조(47) 전단으로 반송하고 잉여 해마토코쿠스 조류는 농축조(52)로 보내고, 제2침전조(49) 상부로 월류(Overflow)하는 상등액은 방류조(55)로 보내었다가 방류한다.

태양 광은, 태양이 방사(放射)하는 전자파 중 400∼700㎚의 파장역의 전자파를 말하며, 식물이나 조류가 광합성으로 이용할 수 있는 빛도 400∼700㎚에 한정되며, 400∼700㎚의 빛의 에너지를 광합성 유효방사(Photosynthetically active radiation, PAR)라 부르며, 제2배양조(47)에서 태양이 비치는 낮에는 태양 광의 에너지를 이용하여 명반응을 하고, 태양이 비치치 않은 밤에는 암 반응을 하여 빛에 의한 스트레스를 가하여, 시스트화를 촉진되도록 하여 아스타크산틴(Astaxanthin) 함량이 높은 해마토코쿠스 조류가 배양되도록 한다.

상기 제2배양조(47)에 공급하는 배양액의 온도는 제1배양시스템에 공급하는 온도보다 10℃ 정도 높은 25∼35℃로 공급하고, 제2배양시스템 전체의 온도도 보일러에서 열을 공급하여 25∼35℃ 범위로 유지되도록 하여 온도의 스트레스를 주어 시스트(Cyst)화 효율을 향상하도록 하여 아스타크산틴(Astaxanthin)의 생산수율이 높도록 한다.

그리고 제1배양조(36)에서도 해마토코쿠스 조류가 배양되면서 먹이로 공급된 유기산이 소모되면서 pH가 8 이상으로 증가하면, 해마토코쿠스 조류의 생육이 떨어지기 때문에 먹이로 사용한 유기산 또는 염산, 황산과 같은 무기산 중에서 한 종류의 산을 공급하여 pH를 6∼8의 범위로 조정한다.

상기 활성산소생성물질은, 3∼5wt%로 희석한 과산화수소(H₂O₂) 수용액 100부에 메틸렌블루(Methylene blue), 메틸비올로젠(Methyl viologen) 또는 2,2'-아조비스(2-아미디노프로판)2염산염[2,2'-azobis(2-amidinopropane) dihydrochloride, AAPH] 중에서 한 종류를 20∼50부를 혼합한 다음, 2가 철염(FeSO₄ 또는 FeCl₂)을 5∼10부를 첨가한다. 2가 철염이 배양액 중에 30㎎/ℓ이상 존재하는 경우는 2가 철염은 첨가할 필요가 없다.

상기 잉여 해마토코쿠스 조류는 농축조(52)에 공급하여 침전농축된 해마토코쿠스 조류는 농축조 레이크(53)에 의해서 하부 콘 부분으로 모이면 농축조류 이송펌프(54)로 탈수공정에 보내고, 농축조(48) 상부로 월류(越流)하는 상등액은 방류조(55)로 보내었다가 방류한다.

제2배양조(47)는 개방형으로 광의 조사는 태양(48) 광에 의해 조사하며, 제2배양조(47)의 구조는 사각 또는 원형으로 할 수 있으며, 조의 깊이는 0.2∼0.5m로 한다.

제2배양조(47)의 용량도 배양액의 농도와 조 내에서 MLSS(Mixed Liquor Suspended Solids)농도에 따라서 달라지지만, F/M(Food-to-Microorganism)비를 0.3∼0.4 범위로 하여 상기 ⑭식에 의해서 조의 크기를 결정하며, 상기 제2배양조의 배양액을 이용하여 해마토코쿠스 조류를 배양하는 경우 제2배양조의 용량은 유입유량을 기준으로 체류시간을 3∼7일의 범위로 한다.

제2배양조(47)의 체류시간이 7일 이상 지나치게 길 때는 섬모충류, 윤충, 아 메바, 모기붙이의 깔다구와 같은 포식동물과 진균류의 키트리드(Chytrid) 곰팡이와 같은 기생생물이 서식하게 되면서 아스타크산틴(Astaxanthin) 생산수율이 저하할 수 있기 때문에 체류시간을 지나치게 길게 할 필요가 없으며, 이와 같은 포식동물과 기생생물에 오염되지 않도록 유의해야한다.

만약 포식동물과 기생생물에 오염이 심한 경우는, 2일에 1∼2시간 동안 1∼2회 단속적(斷續的)으로 제2배양조(47)과 제2침전조(49)를 포함한 제2배양시스템 전체에 산화제(살균제)를 주입하여 살균처리를 한다.

산화제의 주입농도는, 차아염소산(Hypochlorous acid)과 차아염소산염의 경우는 유리유효잔류염소(Free available residual chlorine)의 농도가 0.5∼20ppm 범위로 공급하고, 과산화수소(H₂O₂)는 5∼50ppm 범위로 공급하고, 오존(O₃)은 1∼50ppm 범위로 공급한다.

상기와 같은 살균처리는 정상운전과 경비지출의 문제가 있기 때문에, 시설비가 다소 소요되더라도, 제2배양조(47)와 제2침전조(49)을 포함한 제2배양시스템 전체의 외부에 나일론 실의 망(網)을 폴리염화비닐필름(Polyvinyl chloride film)으로 샌드위치(Sandwich) 하고 표면을 아크릴수지 코팅(Acrylic resin coating)을 한 필름을 이용한 에어 돔(Air dome), 글라스 프레임(Glass frame)을 외부에 설치한 하우스(House) 또는 폴리염화비닐필름을 덮은 비닐 하우스(Vinyle house)을 외부에 설치를 하여 외부의 잡균이 쉽게 유입되지 못하게 하는 것도 바람직하다.

제2침전조(47)의 구조도 원형 또는 4각형으로 하고, 단면적은 월류부 하(Overflow rate)가 12∼30㎥/m·일로 결정하고, 깊이는 1∼4m로 하며, 농축조(52)도 구조는 원형으로 하고, 단면적은 고형물부하(Solid loading rate)가 60∼90㎏/㎡·일의 범위로 하고, 깊이는 2∼4m로 한다.

제2침전조 레이크(53)와 농축조 레이크(53)도 제1침전조 레이크(45)와 동일하게 회전속도를 0.02∼0.05rpm으로 하고, 구조는 제1침전조 레이크(45)와 동일하게 한다.

제2침전조(49)의 직경이 3mφ 이하로 용량이 적은 경우는 제2침전조 레이크(50)를 생략하고, 제2침전조(49) 하부 바닥의 경사각을 45∼60°로 하며, 이때는 농축조(52) 시스템도 생략하고, 제2침전조(49)의 월류부하(Overflow rate)가 12∼30㎥/m·일과 고형물부하(Solid loading rate)가 60∼90㎏/㎡·일을 검토하여 큰 쪽의 단면적으로 제2침전조(49)를 설계한다.

그리고 제2배양시스템의 제2침전조(49), 제2배양조(47), 제2배양조 반송펌프(51)와 제2침전조 레이크(50), 농축조(52), 농축조 레이크(53), 농축조류 이송펌프(54)의 재질도 내염성이면서 내식성 재질을 사용한다.

[실시 예7]

스테인리스강판(Stainless steel plate)으로 상부가 개방된 (길이 1.2m×폭 1.2m×깊이 0.4m)×2개 조의 제2배양조(47)를 제작하고, 제2침전조(49)는 직경 0.3φm× 높이 1.0m의 스테인리스강판으로 제작하고, 농축조(52)는 용량이 적기 때문에 생략하고 제2배양시스템을 옥외에 설치하였다.

상기 제2배양조(47)와 제2침전조(49)에 과산화수소(H₂O₂) 20ppm 농도의 수용액을 공급하고 1시간 동안 플래싱(Flashing)하여 잡균을 멸균처리한 다음, 실시 예5에서 만든 온도가 30℃, pH가 7.2인 배양액을 제2배양조(47)와 제2침전조(49)에 충전하고, 다이어프램형 정량펌프인 제1배양조 반송펌프(46)로 250㏄/분을 반송하고, 액체 탄산가스 봄베(Bombe)의 CO₂를 3용적%가 되게 주입한 것을 송풍기(39)로 제2배양조(47) 하부에 주입하여 용존산소 농도가 0.5㎎/ℓ이 유지되도록 폭기를 하면서 상기 실시 예6에서 배양된 해마토코쿠스 플루비아리스(Haematococcus pluvialis) 조류를 제2배양조(47) 전단에 공급하여 낮에는 태양(48) 광 조사에 의한 명반응(明反應)을 실시하고, 밤에는 암반응(暗反應)을 계속하여 제2배양조(47) 내의 MLSS의 농도 2,500㎎/ℓ가 되면서부터 실시 예5에서 질소원은 주입하지 않고, 탄소원만으로 만든 배양액을 다이어프램 형 정량펌프로 500㏄/분의 유량으로 제2배양조(47) 전단에 공급하고, 3.5wt%의 과산화수소(H₂O₂) 수용액 100부에 메틸렌블루(Methylene blue) 30부를 혼합한 다음, FeSO₄ 10부를 첨가한 활성산소생성물질을 산화환원전위 값이 200㎷로 유지되게 주입하면서 연속운전을 계속하여, 25시간이 되면서 제2배양조(47) 내의 MLSS의 농도 4,000㎎/ℓ가 되어, 잉여 조류를 다음 실시 예8로 보내면서 운전을 계속하였다.

본 실시 예7에서는 실시 예6에서 배양된 해마토코쿠스 플루비아리스 녹조류를 제2배양조(47) 전단에서는 질소원이 존재하지 않으면서 탄소원의 농도가 낮은 배양액을 공급하여 기아(饑餓)에 의한 스트레스를 가하고, 후단에서는 활성산소생 성물질을 공급하여 산화환원전위 값을 변화시켜 스트레스를 가하면서 낮에는 태양 광에 의한 명반응을 유도하고, 밤에는 암반응을 하여 광의 조사에 의한 스트레스를 가하고, 온도는 제1배양시스템에서 보다 10℃정도 높은 30∼35℃로 유지하여 온도에 의한 스트레스를 동시에 가하여 시스트화 효율이 향상되도록 하여 세포 내에 적색 카로티노이드(Carotenoid)인 아스타크산틴(Astaxanthin) 함량이 높도록 하였다.

제2배양조(47) 후단에서 배양된 해마토코쿠스 플루비아리스(Haematococcus pluvialis)는 도 9에서 보는 바와 같이 질소원의 결핍, 산화환원전위 값의 변화, 광 조사의 변화 등에 의한 스트레스로 인하여 시스트화되면서 적색 카로티노이드인 아스타크산틴이 포함된 휴면포자 형태로 되었음을 확인할 수 있었다.

Ⅳ. 아스타크산틴(Astaxanthin)을 생산하는 단계

1. 탈수공정

상기 농축조(48)에서 농축된 해마토코쿠스 조류가 탈수공정에 공급되면 진공여과장치(Vacuum filter), 필터프레스(Filter press), 벨트프레스(Belt press), 원심탈수장치(Centrifugal dehydrator) 또는 스크루형 탈수기(Screw type dehydrator) 중에서 한 종류의 탈수기로 과잉으로 함유된 수분을 탈수처리한 해마토코쿠스 조류는 파쇄 및 건조공정으로 보낸다.

2. 파쇄 및 건조공정

상기 탈수공정에서 탈수처리한 해마토코쿠스 조류는 글라스비드(Glass beads)를 가해 그라인딩(Grinding)에 의해 파쇄하는 비즈밀(Beads-mill)방법, 프렌치 프레스(French Press)를 이용하는 방법, 고압 호모지나이저(Homogenizer)인 만톤고린(Manton－Gaulin)을 이용하는 방법, 빙결에 의한 방법, 압출 조립기(押出造粒機)에 의한 롤밀(Roll mill)방법, 초음파파쇄법(超音波破碎法), 허머밀(Hummer mill), 제트밀(Jet mill), 핀밀(Pin mill) 또는 프로테아제(Protease)와 같은 삼투압조절제처리에 의한 세포벽에 삼투압쇼크(Osmotic pressure shock) 중에서 선택된 한 종류나 한 종류이상을 조합한 파쇄방법에 의해서 해마토코쿠스 조류에 함유된 아스타크산틴(Astaxanthin) 성분의 추출효율을 향상하기 위해서 파쇄처리를 한 다음에, 유동층 건조(Fluidized bed dryer), 분무건조기(Spray dryer), 동결건조(Freeze dryer), 드럼 드라이어(Drum dryer) 또는 밴드건조기(Band dryer) 중에서 선택된 한 종류의 건조기로 건조한 해마토코쿠스 조류는 추출 및 여과 공정으로 보낸다.

상기 삼투압 쇼크(Shock)는, 수확된 해마토코쿠스 조류를 삼투압 조정제가 없는 반응액 중에서 해마토코쿠스 조류의 영양세포에 삼투압조정제인 소르비톨(Sorbitol) 또는 만니톨(Mannitol)을 포함한 반응액 중에 프로테아제(Protease)처리를 하면 세포는 완전히 파괴된다. 사용하는 프로테아제(Protease)는, 프로나제 E(Pronase E)와 프로테이나제 K(Proteinase K)를 사용한다.

삼투압 쇼크(Shock)처리 반응제는, 반응액 1,000㎏에 프로나제 E 1.4∼1.6㎏, 프로테이나제 K(Proteinase K) 0.8∼1.2㎏, 소르비톨 또는 만니톨 중에서 한 종류를 0.15∼0.25Mole, 완충제로 트리에탄올아민(Triethanolamine) 8∼12mMole을 주입하고, 반응조건은 pH가 6∼8에서, 온도는 20∼40℃에서 30∼120분간 반응시킨다.

3. 추출·농축 및 여과에 의해서 제품화하는 공정

해마토코쿠스 조류로부터 아스타크산틴 추출물을 얻는 방법으로는, 상기 해마토코쿠스 조류를 파쇄하여 용매로 추출할 수 있으며, 예를 들면, (1) 해마토코쿠스 조류를 파쇄·건조한 뒤, 유기용매로 추출을 하고, 유기용매를 제거해서 아스타크산틴 추출물을 얻는 건조분말추출방법, (2) 습한 해마토코쿠스 조류분말을 유기용매에 현탁한 후, 분쇄기로 해마토코쿠스 조류의 세포를 분쇄하여 아스타크산틴을 추출하고, 유기용매를 제거하여 아스타크산틴 추출물을 얻는 분쇄추출방법, (3) 해마토코쿠스 조류를 건조하여 파쇄한 후, 이산화탄소를 추출 용매로서 초임계 추출을 하고, 이산화탄소를 제거하여 아스타크산틴 추출물을 얻는 초임계 이산화탄소추출방법을 들 수 있다. 본 발명에서 해마토코쿠스 조류로부터 아스타크산틴 추출물을 얻는 방법은 상기 건조분말추출방법, 분쇄추출방법 또는 초임계 이산화탄소추출방법 중에서 한 가지의 추출방법을 이용하여 아스타크산틴을 추출한 다음, 건조제(Drying agent)로 탈수처리하여 농축된 아스타크산틴 추출물을 얻는다.

상기 농축된 아스타크산틴 추출물을 여과에 의해 추출물 중에 함유된 균체 찌꺼기 등의 이물질을 멤브레인 필터(Membrane filter), 여과지여과, 규조토여과 또는 유리섬유필터(Glass fiber filter) 중에서 한 종류의 여과를 하여 제거한 후, 정제 된 아스타크산틴 추출물은 건조제로 농축 후, 실리카겔칼럼(Silica gel column)의 겔 여과 크로마토그래피(Gel filtration chromatography)로 한층 더 분리·정제하여 올레오레진(Oleoresin) 상태의 아스타크산틴(Astaxanthin) 제품을 생산한다.

상기 해마토코쿠스 조류로부터 아스타크산틴을 추출하는 용매는 메탄올(Methanol), 에탄올(Ethanol), 이소프로필알코올(Isopropyl alcohol), n－펜타코세인(Pentacosane), 에테르(Ether), 헥산(Hexane), 초산에틸(Ethyl acetate), 벤젠(Benzene), 디클로로메탄(Dichloromethane), 클로로포름(Chloroform), 페놀클로로포름(Phenolchloroform), 아세톤(Acetone), 메틸에틸케톤(Methylethylketone), 메틸이소부틸케톤(Methyl-isobutyl-ketone), 디메틸포름아미드(Dimethylformamide) 또는 디메틸술폭시화물(Dimethyl sulfoxide) 중에서 한 종류의 극성이 큰 유기용제를 사용하거나, 초임계점(Super critical point) 근방의 이산화탄소(CO₂)를 사용하여 추출한다.

그 다음에 건조제로 농축 후, 실리카겔크로마토그래피 겔 여과로 아스타크산틴(Astaxanthin)을 분리, 정제한다.

상기 건조제(Drying agent)로는, 무수 황산나트륨(Sodium sulfate), 무수 염화칼슘(Calcium chloride), 무수 실리카겔(Silica gel), 무수 알루미나(Alumina) 또는 무수 제올라이트(Zeolite) 중에서 한 종류를 사용한다.

[실시 예8]

실시 예7에서 생산된 해마토코쿠스 플루비아리스(Haematococcus pluvialis) 를 함수율이 75.2wt%로 진공탈수를 한 다음, 비즈밀(Beads-mill)방법으로 파쇄를 한 것을 밴드건조기(Band dryer)에서 함수율이 12wt%로 건조하여 건조된 조류를 만들었다.

상기 건조된 조류를 아세톤(Acetone) 용매로 추출한 다음, 추출물을 멤브레인 필터(Membrane filter)로 여과하여 추출물 중에 함유된 균체 찌꺼기 등의 이물질을 제거하였다.

상기 멤브레인 필터로 여과한 추출물을 무수 알루미나(Alumina)로 수분을 제거한 다음, 실리카겔칼럼(Silica gel column)의 겔 여과 크로마토그래피(Gel filtration chromatography)로 한층 더 분리·정제하여 아스타크산틴(Astaxanthin) 제품을 생산하였다.

상기에서와 같이 해마토코쿠스 플루비아리스(Haematococcus pluvialis) 조류를 배양하여 아스타크산틴(Astaxanthin)을 추출한 결과, 건조된 해마토코쿠스 플루비아리스 조류 건량기준(함수 된 수분을 제외한 해마토코쿠스 플루비아리스 조류를 기준)으로, 해마토코쿠스 플루비아리스 조류 100㎏당 아스타크산틴 6.21㎏이 추출되었다.

상기와 같은 아스타크산틴 추출 수율은, 종래기술에서는 해마토코쿠스 플루비아리스 조류 100㎏당 아스타크산틴 3∼5㎏이 추출되는 것에 비해서 추출효율이 향상되었음을 알 수 있다.

본 발명에서는 해양 심층수에 함유되어 있는 무기염류와 영양염류를 이용하 여 배양액을 만들기 때문에 종래의 무기염류를 별도로 첨가하여 배양액을 만드는 경우에 비해서 저렴하게 배양액을 만들 수 있기 때문에 저렴한 비용으로 해마토코쿠스 조류를 배양하여 아스타크산틴을 생산할 수 있으면서, 생산수율도 향상할 수 있기 때문에 아스타크산틴을 생산에 널리 이용될 것으로 판단된다.

아스타크산틴은 항산화작용(抗酸化作用), 항염증작용(抗炎症作用), 항동맥경화작용(抗動脈硬化作用), 면역부활작용(免疫賦活作用), 항스트레스작용, 당뇨병(糖尿病)에 대한 작용, 눈 보호에 대한 작용, 일주(日周) 리듬조절작용, 피부보호에 대한 작용 등의 특성이 있어 건강식품, 의약품, 화장품, 양식어류 및 가축의 사료첨가제 등에 고부가가치상품(高附加價値商品)으로 널리 이용될 것으로 기대된다.

그리고 아스타크산틴은 국내에서는 생산되지 않아 전량 수입에 의존하고 있는 것을 수입대체효과도 있을 것으로 기대된다.

도 1은 해양 심층수를 이용하여 해마토코쿠스 조류의 배양과 이를 이용하여 아스타크산틴을 생산하는 공정도

도 2는 해양 심층수 중에 함유된 NaCl을 전기투석으로 제거하여 미네랄 수를 생산하는 공정도

도 3은 해양 심층수 중에 함유된 NaCl을 전기추출로 제거하여 미네랄 수를 생산하는 공정도

도 4는 냉동에 따른 H₂O-NaCl계의 상평형도

도 5는 해수를 냉각하였을 할 때 상태도

도 6은 배양액 조제공정도

도 7은 해마토코쿠스 조류를 배양과 아스타크산틴을 생산하는 공정도

도 8은 제1배양조에서 배양된 단세포 녹조류인 해마토코쿠스 플루비아리스(Haematococcus pluvialis)의 사진

도 9는 제2배양조에서 배양된 아스타크산틴(Astaxanthin)을 세포 내에 함유한 해마토코쿠스 플루비아리스(Haematococcus pluvialis)의 사진

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1: 해양 심층수 저장조 2: 해양 심층수 이송펌프

3: 전기투석장치 4: 양극

5: 음극 6: 양극실

7: 음극실 8: 1가 음이온선택교환 격막

9: 1가 양이온선택교환 격막 10: 탈염실

11: 염농축실 12: 농축 염수 저장조

13: 농축 염수 이송펌프 14: 전기추출장치

15: 염추출실 16: 송풍기(Air blower)

17: 산기관 18: 배양액 조정조

19: 배양액 조정조 교반기 20: 자화장치 공급펌프

21: 자화장치 22: 멸균기

23: 멸균기 교반기 24: 가열재킷(Heating jacket)

25: 보온재(保溫材) 26: 냉각기

27: 양극실 28: 음극실

29: 양극 30: 음극

31: 격막 32: pH조정 및 배양액 저장조

33: pH조정 및 배양액 저장조 교반기 34: 데미스터(Demister)

35: 시일 탱크(Seal tank) 36: 배양액 이송펌프

37: 배기가스 저장탱크 38: 시일 탱크

39: 송풍기 40: 필터(Filter)

41: 제1배양조 42: 발광다이오드 등

43: 돔(Dome) 44: 제1침전조

45: 제1침전조 레이크(Rake) 46: 제1배양조 반송펌프

47: 제2 배양조 48: 태양

49: 제2침전조 50: 제2침전조 레이크

51: 제2 배양조 반송펌프 52: 농축조

53: 농축조 레이크 54: 농축조류 이송펌프

55: 방류조 M: 모터(Motor) ⓢ: 솔레노이드밸브(Solenoid valve)

BI: 보메비중지시계(Baume indicator) FI: 유량지시계(Flow indicator)

pHT: 수소 이온농도 트랜스미터(pH transmitter)

pHIS: 수소 이온농도 지시제어기(pH indicating switch)

BIS: 보메비중지시제어기(Baume indicating switch)

DOI: 용존산소지시계(Dissolved oxygen indicator)

LS: 수위 제어기(Level switch) TI: 온도 지시계(Temperature indicator)

TT: 온도 트랜스미터(Temperature transmitter)

TIC: 온도지시제어기(Temperature indicating controller)

ECIS: 전기전도율지시제어기(Electric conductivity indicating switch)

ORPI: 산화환원전위지시계(Oxidation-reduction potential indicator)

Claims (3)

1. 해양 심층수를 취수하여 가온 처리와 모래여과를 하여 전처리한 해양 심층수 또는 해양 심층수를 취수하여 가온 처리와 모래여과를 하여 전처리한 해양 심층수를 나노여과와 역삼투 여과에서 농축된 해양 심층수를 전기투석장치, 전기추출장치 또는 냉동장치 중에서 선택된 한가지의 NaCl을 제거하는 장치에 의해서 해양 심층수를 취수하여 NaCl을 제거하여 미네랄 수를 생산하는 단계와,

   상기 미네랄 수에 담수를 주입한 것에 2가·3가 철염과 해마토코쿠스 조류(Haematococcus algae)의 먹이가 되는 탄소 원과 비타민류를 주입하고, 자화처리 후 95∼110℃ 범위로 10∼20분간 열처리를 하여 배양액에 함유된 잡균을 멸균처리를 한 다음, 15∼35℃ 범위로 냉각한 배양액을 전기분해조의 음극실로 보내어 산화환원전위(Oxidation-reduction potential) 값이 -100∼-250㎷ 범위의 환원성 배양액으로 조정한 것을 pH를 6∼8 범위로 조정하여 제1배양공정의 배양액을 만들고,

   상기 해양 심층수를 취수하여 가온 처리와 모래여과를 하여 전처리를 한 해양 심층수 또는 표층해수에 NaCl농도가 0.4∼1.0wt% 범위가 되게 담수를 가하여 희석한 것에 해마토코쿠스 조류의 먹이가 되는 탄소원만을 첨가한 다음, pH를 6∼8 범위로 조정하여 제2배양공정의 배양액을 만드는, 배양액을 만드는 단계와,

   상기 제1배양공정의 배양액을 외부와 돔(43)으로 폐쇄된 살균처리된 제1배양조(41)에 온도가 15∼25℃의 상태로 공급하고, 발광다이오드 등(42)으로부터 조도(照度, Illuminance)를 1,500∼40,000 럭스(Lux) 범위로 조사(照射)하면서 탄산가스를 3∼5 용적%로 함유한 공기를 제1배양조(41) 전단에는 용존산소 농도가 0.1∼0.5㎎/ℓ 범위가 되게 공급하고, 후단에는 용존산소 농도가 0.05∼0.1㎎/ℓ 범위가 되게 공급하면서 산화환원전위지시계(Oxidation-reduction potential indicator)의 값이 -100㎷ 이하로 유지되도록 폭기를 하면서 해마토코쿠스 조류를 배양하고,

   상기 해마토코쿠스 조류를 제1침전조(44)로 보내어 상부로 월류(Overflow)하는 상등액은 방류조(55)로 보내었다가 방류하고, 제1침전조(44) 하부에 침전된 해마토코쿠스 조류는 제1침전조 레이크(45)에 의해 하부의 콘(Cone) 부분으로 모이면 제1배양조 반송펌프(46)로 종균용으로 제1배양조(41) 전단으로 반송하면서 잉여(剩餘) 해마토코쿠스 조류는 상기 제2배양공정의 배양액과 함께 제2배양조(47) 전단으로 공급하고,

   상기 잉여(剩餘) 해마토코쿠스 조류와 제2배양공정의 배양액이 제2배양조(47) 전단으로 공급되면, 보일러(Boiler)에서 배출되는 배기가스를 전기집진기 또는 여과집진기 중에서 한 종류의 집진기로 비산분진(飛散粉塵)을 제거한 배기가스를 배기가스에 탄산가스농도가 3∼5 용적% 범위가 되게 공기를 혼합한 것을 송풍기(39)로 제2배양조(47) 하부로 주입하여 용존산소 농도가 0.1∼0.8㎎/ℓ 범위가 유지되게 폭기를 하고, 조의 중간 부분에서는, 산화환원전위 값이 100∼350㎷ 범위로 유지되게 활성산소생성물질을 주입하면서 태양(48) 광을 조사하여 배양된 해마토코쿠스 조류를 제2침전조(49)로 공급하고,

   상기 해마토코쿠스 조류가 제2침전조(49)로 공급되어 상부로 월류하는 상등액은 방류조(55)로 보내었다가 방류하고, 하부에 침전된 해마토코쿠스 조류는 제2침전조 레이크(50)에 의해 하부 콘(Cone) 부분으로 모이면 제2배양조 반송펌프(51)로 종균용으로 제2배양조(47) 전단으로 반송하고 잉여 해마토코쿠스 조류는 농축조(52)로 공급하고,

   상기 잉여 해마토코쿠스 조류가 농축조(52)에 공급되어 상부로 월류하는 상등액은 방류조(55)로 보내었다가 방류하고, 하부에 침전농축된 해마토코쿠스 조류는 농축조 레이크(53)에 의해서 하부 콘 부분으로 모이면 농축조류 이송펌프(54)로 탈수공정에 보내어 탈수처리된 해마토코쿠스 조류를 생산하는, 해마토코쿠스 조류를 배양하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 해양 심층수를 이용하여 해마토코쿠스 조류를 배양하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 해양 심층수를 취수하여 가온 처리와 모래여과를 하여 전처리한 해양 심층수 또는 해양 심층수를 취수하여 가온 처리와 모래여과를 하여 전처리를 한 해양 심층수를 나노여과와 역삼투 여과에서 농축된 해양 심층수에 소금제조공정에서 생산된 간수를 첨가한 공정에 의해서 해양 심층수를 이용하여 해마토코쿠스 조류를 배양하는 방법.
3. 제1항 또는 제2항 중에서 배양된 해마토코쿠스 조류를 탈수기로 과잉으로 함유된 수분을 탈수처리한 해마토코쿠스 조류는 파쇄 및 건조한 다음, 추출 및 여과 공정으로 보내어 아스타크산틴(Astaxanthin)을 추출한 다음, 탈수처리하여 농축된 아스타크산틴 추출물을 여과하여 이물질을 제거한 후, 정제된 아스타크산틴 추출물은 건조제로 농축 후, 실리카겔칼럼(Silica gel column)의 겔 여과 크로마토그래피(Gel filtration chromatography)로 한층 더 분리·정제하여 올레오레진(Oleoresin) 상태의 아스타크산틴(Astaxanthin) 제품을 생산하는 방법.

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